Sådan fungerer Faraday -burene

Elektricitet er livsnerven i mange aspekter af vores verden. Uden volt og forstærkere, mange af vores teknologiske innovationer ville ophøre med at eksistere. Selv vores kroppe ville ikke fungere uden en elektrisk ladning, der zippede gennem vores celler. Men hvad elektricitet giver, elektricitet kan tage væk.

Selvom denne form for energi er afgørende for så meget af vores liv, det er en af ​​de ting, der kun er gode i de rigtige mængder. For meget elektricitet kan elektrokuttere mennesker. Ligeledes, det kan dræbe vores moderne elektronik og maskiner.

Men tak til Michael Faraday, den strålende videnskabsmand fra det 19. århundrede, og en af ​​hans navneopfindelser, Faraday -buret, vi mennesker har udviklet masser af måder at styre elektricitet på og gøre det mere sikkert for vores computere, biler og andre opfindelser - og for os, også.

Faradays bure beskytter deres indhold mod statiske elektriske felter. An elektrisk felt er et kraftfelt, der omgiver a ladet partikel , såsom en elektron eller proton.

Disse bure ser ofte tydeligt ud, godt, cagelike. Nogle er lige så enkle som kædeledhegn eller isspande. Andre bruger et fint metallisk net. Uanset deres nøjagtige udseende, alle Faraday -bure tager elektrostatiske ladninger, eller endda visse former for elektromagnetisk stråling, og fordel dem rundt om burets yderside.

Elektromagnetisk stråling er rundt omkring os. Det er i synligt og ultraviolet lys, i mikrobølgerne, der tilbereder vores mad og endda i FM- og AM -radiobølgerne, der pumper musik gennem vores radioer. Men nogle gange, denne stråling er uønsket og direkte forstyrrende. Det er her Faraday bure kommer ind.

Som et Faraday -bur distribuerer denne ladning eller stråling rundt om burets ydre, det afbryder elektriske ladninger eller stråling i burets indre. Kort sagt, et Faraday -bur er en hul leder, hvor ladningen forbliver på burets ydre overflade.

Den grundlæggende funktion har masser af fascinerende anvendelser i vores elektrisk rodede og teknologipakkede verden. Og selvom Faraday til sidst ville få sin dag, baggrunden for hans opfindelse har faktisk sine rødder i tidligere tider. Så, hvor kom ideen til disse ultra-nyttige bure fra? Find ud af det på den næste side.

1. Franklins første fund
2. Elektrostatisk for folket
3. Faraday, den moderne måde
4. Avancerede bure

Franklins første fund

Det var Ben Franklin, der var med til at inspirere mange af ideerne bag Faraday -bure. Franklin, selvfølgelig, tilbragte en del af sin berømte karriere med at flyve drager i tordenvejr i forsøg på at tiltrække lyn og var derfor allerede noget bekendt med elektricitetens luner og begreber.

I 1755, Franklin begyndte at lege med elektricitet på nye måder. Han elektrificerede en sølvpint dåse og sænkede en uladet korkugle fastgjort til en ikke-ledende silketråd ind i den. Han sænkede bolden, indtil den rørte bunden af ​​dåsen og observerede, at bolden ikke var tiltrukket af dåsens indvendige sider. Men da Franklin trak korkuglen tilbage og dinglede den nær den elektrificerede dåses ydre, bolden blev straks trukket til dåsens overflade.

Franklin blev mystificeret af samspillet mellem elektricitet og de ladede og uladede objekter. Han indrømmede lige så meget i et brev til en kollega:"Du kræver årsagen; jeg ved det ikke. Måske kan du opdage det, og så vil du være så god at kommunikere det til mig. "

Årtier senere, en engelsk fysiker og kemiker ved navn Michael Faraday foretog andre relevante observationer - nemlig, han indså, at en elektrisk leder (såsom et metalbur), når den oplades, udviste denne ladning kun på dens overflade. Det havde ingen effekt på lederens indre.

Faraday bekræftede denne observation igen ved at beklæde et rum med metalfolie og derefter oplade folien ved hjælp af en elektrostatisk generator. Han placerede en elektroskop (en enhed, der registrerer elektriske ladninger) inde i rummet, og, som han forventede, omfanget angav, at der ikke var noget gebyr i rummet. Opladningen bevægede sig bare langs foliens overflade og trængte slet ikke ind i rummet.

Faraday undersøgte yderligere dette fænomen med sit berømte isspandforsøg. I denne test, han kopierede grundlæggende Franklins idé ved at sænke en ladet messingkugle ned i en metalkop. Som forventet, hans resultater var de samme som Franklins.

Dette koncept har alle mulige fantastiske applikationer, men her er en, der er relevant for alle, der nogensinde har været i et fly. Forestil dig at flyve i et fly, der pludselig blev ramt af lyn. Dette er ikke en sjælden forekomst - det sker faktisk regelmæssigt, alligevel påvirkes flyet og dets passagerer ikke. Det er fordi flyets aluminiumsskrog skaber et Faraday -bur. Opladningen fra lynet kan passere ufarligt over flyets overflade uden at skade udstyret eller mennesker indeni.

Det er ikke chokerende, virkelig. Det er bare videnskab. På den næste side, du vil se, hvordan denne smarte slags burdesign virkelig fungerer.

Elektrostatisk for folket

For at forstå, hvordan Faraday -bure fungerer, du har brug for en grundlæggende forståelse af, hvordan elektricitet fungerer i ledere. Processen er enkel:Metalgenstande, såsom et aluminiumsnet, er ledere, og har elektroner (negativt ladede partikler), der bevæger sig rundt i dem. Når der ikke er elektrisk ladning, lederen har nogenlunde samme antal sammensmeltende positive og negative partikler.

Hvis en ekstern genstand med en elektrisk ladning nærmer sig lederen, de positive og negative partikler adskilles. Elektroner med en ladning modsat den af ​​den eksterne ladning trækkes til det ydre objekt. Elektroner med samme ladning som det ydre objekt frastødes og bevæger sig væk fra objektet. Denne omfordeling af afgifter kaldes elektrostatisk induktion .

Med det eksterne ladede objekt til stede, de positive og negative partikler ender op på modsatte sider af lederen. Resultatet er et modsatrettet elektrisk felt, der annullerer feltet for det eksterne objekts ladning inde i metallederen. Netto elektrisk ladning inde i aluminiumsnet, derefter, er nul.

Og her er den rigtige kicker. Selvom der ikke er nogen ladning inde i lederen, det modsatte elektriske felt har en vigtig effekt- det beskytter det indre mod ydre statiske elektriske ladninger og også mod elektromagnetisk stråling, som radiobølger og mikrobølger. Deri ligger den sande værdi af Faraday -bure.

Effektiviteten af ​​denne afskærmning varierer afhængigt af burets konstruktion. Variationer i ledningsevnen for forskellige metaller, såsom kobber eller aluminium, påvirke burets funktion. Størrelsen af ​​hullerne i skærmen eller mesh ændrer også burets muligheder og kan justeres afhængigt af frekvensen og bølgelængden af ​​den elektromagnetiske stråling, du ønsker at udelukke fra burets indre.

Faraday -bure går undertiden under andre navne. De kan kaldes Faraday skjolde , RF ( radiofrekvens ) bure , eller EMF ( Elektromotorisk kraft ) bure .

Uanset hvad du kalder dem, Faraday -bure bruges oftest i videnskabelige laboratorier, enten i eksperimenter eller i produktudvikling. På den næste side, du vil opdage præcis, hvordan ingeniører sætter disse geniale skjolde på prøve.

Da Faraday byggede sit første bur, han havde sandsynligvis ikke tyveri i hjernen. Men betjente fanger ofte butikstyve, der forer poser med aluminiumsfolie, som forstyrrer de tyverisikre RFID -tags, der er fastgjort til dyre produkter i detailbutikker.

Faraday, den moderne måde

Folk bruger Faraday -bure til en lang række formål - nogle gange i esoteriske laboratorieindstillinger, andre gange i almindelige produkter. Din bil, for eksempel, er dybest set et Faraday -bur. Det er burets effekt, ikke gummidæk, der beskytter dig i tilfælde af et nærliggende lynnedslag.

Mange bygninger fungerer som Faraday -bure, også, om end kun ved et uheld. Med deres gips- eller betonvægge strøet med metalstænger eller trådnet, de forårsager ofte ødelæggelse med trådløse internetnetværk og mobiltelefonsignaler.

Men den beskyttende effekt kommer oftest menneskene til gode. Mikrobølgeovne vender effekten, fange bølger i et bur og hurtigt tilberede din mad. Afskærmede tv -kabler hjælper med at opretholde en skarp, klart billede ved at reducere interferens.

Elleverandører bærer ofte specialfremstillede dragter, der udnytter Faraday -burets koncept. Inden for disse dragter, linjerne kan arbejde på højspændingsledninger med en meget reduceret risiko for elektrisk stød.

Regeringer kan beskytte vitalt telekommunikationsudstyr mod lynnedslag og anden elektromagnetisk interferens ved at bygge Faraday -bure omkring dem. Videnskabslaboratorier ved universiteter og virksomheder anvender avancerede Faraday -bure til fuldstændigt at udelukke alle eksterne elektriske ladninger og elektromagnetisk stråling for at skabe et totalt neutralt testmiljø for alle slags eksperimenter og produktudvikling.

Interesseret? Bliv ved med at læse, og du vil se andre vilde måder, denne enkle bureffekt bruges til avancerede formål.

Du behøver ikke bruge millioner eller have en fysikgrad for at lave dit eget Faraday -bur. På internettet, du kan finde instruktioner til at bygge et simpelt bur af almindelige husholdningsprodukter.

Avancerede bure

Sving ved et hospital, og du finder Faraday -bure i form af MR ( magnetisk resonans scanning ) værelser. MR -scanninger er afhængige af kraftfulde magnetfelter for at skabe medicinsk nyttige scanninger af menneskekroppen. MR -rum skal være afskærmet for at forhindre, at vildfarne elektromagnetiske felter påvirker en patients diagnostiske billeder.

Der er masser af politisk og militær anvendelse til Faraday -bure, også. Politikere kan vælge at diskutere følsomme spørgsmål kun i afskærmede lokaler, der kan blokere aflytningsteknologier. Alle moderne væbnede styrker er afhængige af elektronik til kommunikation og våbensystemer, men der er en fangst -disse systemer er sårbare over for aggressive EMP'er ( elektromagnetiske impulser ), som kan være et resultat af en solstorm eller endda menneskeskabte EMP-angreb. For at beskytte kritiske systemer, militærer bruger undertiden afskærmede bunkers og køretøjer.

Det er af samme grund, at Faraday -bure er et yndet emne i den overlevende subkultur. Disse mennesker, der forkynder selvforsyning og mistillid til regeringens reaktion i lyset af menneskeskabte eller naturkatastrofer, tror på at afskærme al vigtig elektronik ved hjælp af hjemmelavede Faraday -bure. I tilfælde af at en apokalyptisk katastrofe rammer, de vil stadig have deres kortbølgeradioer og andre højteknologiske værktøjer, der kan være livreddere.

Selvom du ikke er særlig bekymret over dommedagsscenarier, Faraday -bure spiller sandsynligvis en rolle i dit liv hver dag. Disse bure udnytter et grundlæggende fysikprincip og hjælper mennesker over hele kloden med at bruge disse principper - for sikkerheden, luksus, bekvemmelighed og for at hjælpe med stadig mere spændende teknologiske fremskridt.

Oprindeligt udgivet:28. juni 2011

Ofte stillede spørgsmål om Faraday Cage

Hvad er et Faraday -bur, og hvordan fungerer det?

Hvad kan trænge ind i et Faraday -bur?

Er Faraday -bure lovlige?

Kan du bruge aluminiumsfolie som et Faraday -bur?

Kan du købe et Faraday -bur?

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer elektricitet
• Er det muligt at generere elektricitet direkte fra varme?
• Sådan fungerer strømnet
• Sådan fungerer Van de Graaff -generatorer
• Hvornår blev det første batteri opfundet?
• 10 opfindelser, der ændrede verden
• Hvordan ændrede Nikola Tesla den måde, vi bruger energi på?

Flere store links

• Metamaterialer kan revolutionere den trådløse strøm
• Hammond bliver ramt af belysning i en VW Golf
• Mobiltelefoner kan forårsage kræft, Advarsel Verdenssundhedschefer:Efter år med modstridende krav, en autoritativ dom
• RFID, e-pas Sikkerhed i fare:Aus Gov't

Kilder

• BBC History. "Michael Faraday (1791 - 1867)." Bbc.co.uk. (17. juni kl. 2011) http://www.bbc.co.uk/history/historic_figures/faraday_michael.shtml
• Cohen, Bernard. "Benjamin Franklins eksperimenter." Profiler.nlm.nih.gov. 1941. (17. juni, 2011) http://profiles.nlm.nih.gov/ps/access/BBANDN.ocr
• Kritisk national infrastruktur rapport. "Rapport fra Kommissionen for at vurdere truslen mod USA fra angreb fra elektromagnetisk puls (EMP)." Futurescience.com. 2008. (17. juni, 2011) http://www.futurescience.com/A2473-EMP-Commission.pdf
• Emanuelson, Jerry. "Forberedelse til et elektromagnetisk pulsangreb eller alvorlig solstorm." Futurescience.com. 2011. (17. juni, 2011) http://www.futurescience.com/emp/emp-protection.html
• Florida State University Magnet Lab. "Faradays isspand." Magnet.fsu.edu. (17. juni kl. 2011) http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/faradaypail/index.html
• Florida State University Magnet Lab. "Faraday bur." Magnet.fsu.edu. (17. juni kl. 2011) http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/tools/faradaycage.html
• Institute for Learning Technologies. "Michael Faraday." Ilt.colombia.edu. 2000. (17. juni, 2011) http://www.ilt.columbia.edu/projects/bluetelephone/html/faraday.html
• James, Frank A. J. L. "Michael Faraday." Webcitation.org. 2009. (17. juni, 2011) http://www.webcitation.org/5kwc3quLs
• Kopp, Carlo. "Hærdning af dine computeraktiver." Globalsecurity.org. 1996. (17. juni, 2011) http://www.globalsecurity.org/military/library/report/1997/harden.pdf
• Morse, Robert A. "Benjamin Franklin:Papirer om elektricitet." Lawlis.com. 2004. (17. juni, 2011) http://www.lawlis.com/APEandM/BenjaminFranklinLetter.pdf
• Raza, Ishfaqur. "Faraday burkapslinger og reduktion af mikroprocessoremissioner." CE-mag.com. 2001. (17. juni, 2011) http://www.ce-mag.com/archive/01/Spring/Raza.html
• Royal Institution of Great Britain. "Faraday:Forskning og opdagelser." Rigb.com. (17. juni kl. 2011) http://www.rigb.org/contentControl?action=displayContent&id=00000004786
• Urbina, Ian og Sean D. Hamil. "Når økonomien falder, Anholdelser for Shoplifting Soar. "Nytimes.com. 22. december, 2008. (17. juni, 2011) http://www.nytimes.com/2008/12/23/us/23shoplift.html
• Weiner, Adam. "En oplevelse med elektrisk luftfart." Popsci.com. 30. juni kl. 2008. (17. juni, 2011) http://www.popsci.com/breakdown/article/2008-06/electric-aviation-experience