Cách thức hoạt động của lồng Faraday

Điện là mạch máu của nhiều khía cạnh trong thế giới của chúng ta. Nếu không có vôn và ampe , nhiều cải tiến công nghệ của chúng tôi sẽ không còn tồn tại. Ngay cả cơ thể của chúng ta sẽ không hoạt động nếu không có điện tích xuyên qua các tế bào của chúng ta. Nhưng những gì điện cho, điện có thể lấy đi.

Mặc dù dạng năng lượng này rất quan trọng đối với rất nhiều cuộc sống của chúng ta, nhưng đó là một trong những thứ chỉ tốt với lượng phù hợp. Quá nhiều điện có thể làm điện giật người. Tương tự như vậy, nó có thể giết chết các thiết bị điện tử và máy móc hiện đại của chúng ta.

Nhưng nhờ Michael Faraday , nhà khoa học lỗi lạc của thế kỷ 19, và một trong những phát minh cùng tên của ông, lồng Faraday, con người chúng ta đã phát triển rất nhiều cách để kiểm soát điện và làm cho máy tính, ô tô và các phát minh khác của chúng ta an toàn hơn - và cho chúng tôi cũng vậy.

Lồng Faraday che chắn đồ đạc của chúng khỏi điện trường tĩnh. Một điện trường là một lĩnh vực lực lượng xung quanh một hạt tích điện , chẳng hạn như một electron hay proton.

Những chiếc lồng này thường trông khác biệt, tốt, giống nhau. Một số đơn giản như hàng rào liên kết chuỗi hoặc thùng đá. Những người khác sử dụng một lưới kim loại tốt. Bất kể hình dáng chính xác của chúng như thế nào, tất cả các lồng Faraday đều mang điện tích tĩnh điện, hoặc thậm chí một số loại bức xạ điện từ nhất định và phân bố chúng xung quanh bên ngoài lồng.

Bức xạ điện từ ở xung quanh chúng ta. Đó là trong ánh sáng có thể nhìn thấy và tia cực tím, trong lò vi sóng nấu thức ăn của chúng ta và thậm chí trong sóng radio FM và AM truyền nhạc qua radio của chúng ta . Nhưng đôi khi, bức xạ này là không mong muốn và gây rối loạn hoàn toàn. Đó là nơi mà lồng Faraday đi vào.

Khi lồng Faraday phân phối điện tích hoặc bức xạ xung quanh bên ngoài lồng, nó sẽ loại bỏ các điện tích hoặc bức xạ bên trong lồng. Tóm lại, lồng Faraday là một vật dẫn rỗng, trong đó điện tích vẫn nằm trên bề mặt bên ngoài của lồng.

Chức năng cơ bản đó có rất nhiều công dụng hấp dẫn trong thế giới đầy công nghệ và lộn xộn về điện của chúng ta. Và mặc dù Faraday cuối cùng sẽ có ngày của mình, nhưng bối cảnh cho phát minh của ông thực sự có nguồn gốc từ những thời kỳ trước đó. Vậy, ý tưởng cho những chiếc lồng siêu hữu ích này bắt nguồn từ đâu? Tìm hiểu trên trang tiếp theo.

1. Những phát hiện đầu tiên của Franklin
2. Tĩnh điện cho người dân
3. Faraday, Con đường hiện đại
4. Lồng tiên tiến

Chính Ben Franklin đã giúp truyền cảm hứng cho nhiều ý tưởng đằng sau lồng Faraday. Franklin, tất nhiên, đã dành một phần sự nghiệp lừng lẫy của mình để thả diều trong giông bão để cố gắng thu hút sét và do đó đã phần nào làm quen với các khái niệm và sự mơ hồ về điện.

Năm 1755, Franklin bắt đầu đùa giỡn với điện theo những cách mới. Anh ta đánh điện vào một cái lon bằng bạc và hạ một quả cầu bằng nút chai chưa tích điện được gắn với một sợi tơ không dẫn điện vào nó. Anh ta hạ quả bóng xuống cho đến khi nó chạm vào đáy lon và quan sát thấy quả bóng không bị hút vào mặt trong của lon. Tuy nhiên, khi Franklin rút quả bóng bằng nút chai và treo nó gần vỏ ngoài của chiếc lon đã nhiễm điện, quả bóng ngay lập tức bị hút vào bề mặt của chiếc lon.

Franklin cảm thấy hoang mang bởi sự tác động lẫn nhau của dòng điện và các vật thể tích điện và không tích điện. Anh ấy đã thừa nhận nhiều như vậy trong một bức thư gửi cho một đồng nghiệp: "Bạn yêu cầu lý do; tôi không biết điều đó. Có lẽ bạn có thể phát hiện ra nó, và sau đó bạn sẽ rất tốt để thông báo nó cho tôi."

Nhiều thập kỷ sau, một nhà vật lý và hóa học người Anh tên là Michael Faraday đã thực hiện những quan sát thích hợp khác - cụ thể là ông nhận ra rằng một vật dẫn điện (chẳng hạn như một cái lồng kim loại), khi được tích điện, chỉ biểu hiện điện tích đó trên bề mặt của nó. Nó không ảnh hưởng đến bên trong của dây dẫn.

Faraday khẳng định lại nhận định này bằng cách lót một căn phòng bằng lá kim loại và sau đó sạc lá bằng cách sử dụng máy phát tĩnh điện. Anh ta đặt một kính điện (một thiết bị phát hiện điện tích) bên trong phòng, và như anh ta đoán trước, phạm vi chỉ ra rằng không có điện tích trong phòng. Điện tích chỉ di chuyển dọc theo bề mặt của lá và hoàn toàn không xâm nhập vào phòng.

Faraday đã kiểm tra kỹ hơn hiện tượng này với thí nghiệm thùng băng nổi tiếng của mình. Trong thử nghiệm này, về cơ bản, ông đã sao chép ý tưởng của Franklin bằng cách hạ một quả cầu đồng tích điện vào một chiếc cốc kim loại. Quả nhiên, kết quả của anh ấy cũng giống như kết quả của Franklin.

Khái niệm này có tất cả các loại ứng dụng tuyệt vời, nhưng đây là một trong những ứng dụng phù hợp với bất kỳ ai đã từng ngồi trên máy bay. Hãy tưởng tượng đang bay trên một chiếc máy bay bất ngờ bị sét đánh. Đây không phải là một điều hiếm khi xảy ra - nó thực sự xảy ra thường xuyên, nhưng máy bay và hành khách của nó không bị ảnh hưởng. Đó là bởi vì vỏ nhôm của máy bay tạo ra một chiếc lồng Faraday. Điện tích từ tia sét có thể đi qua bề mặt máy bay một cách vô hại mà không làm hỏng thiết bị hoặc người bên trong.

Nó không gây sốc, thực sự. Nó chỉ là khoa học. Ở trang tiếp theo, bạn sẽ thấy kiểu thiết kế lồng thông minh này thực sự hoạt động như thế nào.

Để hiểu cách thức hoạt động của lồng Faraday, bạn cần có hiểu biết cơ bản về cách điện hoạt động trong dây dẫn. Quá trình này rất đơn giản: Các vật bằng kim loại, chẳng hạn như lưới nhôm, là chất dẫn điện và có các electron (các hạt mang điện tích âm) chuyển động xung quanh chúng. Khi không có điện tích, vật dẫn có số hạt âm và dương gần như nhau.

Nếu một vật bên ngoài mang điện tích đến gần vật dẫn, các phần tử âm và dương sẽ tách ra. Các êlectron có điện tích trái dấu với điện tích bên ngoài bị hút vào vật bên ngoài đó. Các êlectron cùng điện tích với vật bên ngoài bị đẩy lùi và dịch chuyển ra khỏi vật đó. Sự phân bố lại các điện tích này được gọi là cảm ứng tĩnh điện .

Với sự hiện diện của vật mang điện bên ngoài, các phần tử âm và dương chuyển động trên các mặt đối diện của vật dẫn. Kết quả là tạo ra một điện trường ngược chiều triệt tiêu điện trường của vật thể bên ngoài bên trong vật dẫn kim loại. Khi đó, điện tích thực bên trong lưới nhôm bằng không.

Và đây là chân sút thực sự. Mặc dù không có điện tích bên trong vật dẫn, nhưng điện trường đối lập có tác dụng quan trọng - nó bảo vệ bên trong khỏi các điện tích tĩnh bên ngoài và cả bức xạ điện từ, như sóng vô tuyến và vi sóng. Trong đó nằm ở giá trị thực của lồng Faraday.

Hiệu quả của việc che chắn này khác nhau tùy thuộc vào kết cấu của lồng. Sự thay đổi độ dẫn điện của các kim loại khác nhau, chẳng hạn như đồng hoặc nhôm, ảnh hưởng đến chức năng của lồng. Kích thước của các lỗ trên màn hoặc lưới cũng thay đổi khả năng của lồng và có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào tần số và bước sóng của bức xạ điện từ mà bạn muốn loại trừ khỏi bên trong lồng.

Lồng Faraday đôi khi có tên khác. Chúng có thể được gọi là lá chắn Faraday , RF ( tần số vô tuyến ) lồng , hoặc EMF ( lực điện ) lồng .

Bất kể bạn gọi chúng là gì, lồng Faraday thường được sử dụng nhiều nhất trong các phòng thí nghiệm khoa học, trong các thí nghiệm hoặc trong quá trình phát triển sản phẩm. Trên trang tiếp theo, bạn sẽ khám phá chính xác cách các kỹ sư đưa những tấm chắn khéo léo này vào thử nghiệm.

Không phải những gì Michael có trong tâm trí

Khi Faraday xây dựng cái lồng đầu tiên của mình, có lẽ anh ta không có hành vi trộm cắp trong não. Nhưng cảnh sát thường bắt những kẻ trộm đồ lót túi bằng giấy nhôm, điều này cản trở các thẻ RFID chống trộm được dán trên các sản phẩm đắt tiền trong các cửa hàng bán lẻ.

Mọi người sử dụng lồng Faraday cho nhiều mục đích - đôi khi trong các phòng thí nghiệm bí truyền, những lần khác trong các sản phẩm thông thường. Ví dụ, chiếc xe của bạn về cơ bản là một chiếc lồng Faraday. Đó là tác dụng của lồng, không phải lốp cao su , bảo vệ bạn trong trường hợp sét đánh gần đó.

Rất nhiều tòa nhà cũng đóng vai trò như lồng Faraday, nếu chỉ do ngẫu nhiên. Với những bức tường thạch cao hoặc bê tông của họ được rải bằng thép cây hoặc lưới thép kim loại, họ thường tàn phá mạng Internet không dây và tín hiệu điện thoại di động.

Nhưng tác dụng che chắn thường có lợi nhất cho loài người. Lò vi sóng đảo ngược hiệu ứng, giữ sóng trong lồng và nhanh chóng nấu chín thức ăn của bạn. Cáp TV có màn hình giúp duy trì hình ảnh sắc nét, rõ ràng bằng cách giảm nhiễu.

Những người chuyên về quyền lực thường mặc những bộ quần áo được chế tạo đặc biệt để khai thác khái niệm lồng Faraday. Trong những bộ quần áo này, những người thợ đường dây có thể làm việc trên đường dây điện cao áp với nguy cơ bị điện giật giảm đáng kể.

Các chính phủ có thể bảo vệ các thiết bị viễn thông quan trọng khỏi sét đánh và các nhiễu điện từ khác bằng cách xây dựng các lồng Faraday xung quanh chúng. Các phòng thí nghiệm khoa học tại các trường đại học và tập đoàn sử dụng lồng Faraday tiên tiến để loại trừ hoàn toàn tất cả các điện tích bên ngoài và bức xạ điện từ để tạo ra một môi trường thử nghiệm hoàn toàn trung tính cho tất cả các loại thí nghiệm và phát triển sản phẩm.

Có mưu đồ? Hãy tiếp tục đọc, và bạn sẽ thấy những cách hoang dã khác mà hiệu ứng lồng đơn giản này được sử dụng cho những mục đích phức tạp.

Làm lồng của riêng bạn

Bạn không cần phải bỏ ra hàng triệu USD hoặc có bằng vật lý để tạo lồng Faraday của riêng mình. Trên Internet, bạn có thể tìm thấy hướng dẫn xây dựng một cái lồng đơn giản từ các sản phẩm gia dụng thông thường.

Đi ngang qua một bệnh viện và bạn sẽ thấy lồng Faraday dưới dạng phòng chụp MRI ( quét cộng hưởng từ ) . Quét MRI dựa vào từ trường mạnh mẽ để tạo ra các bản quét hữu ích về mặt y tế đối với cơ thể con người. Phòng chụp MRI phải được che chắn để tránh trường điện từ đi lạc ảnh hưởng đến hình ảnh chẩn đoán của bệnh nhân.

Có rất nhiều mục đích sử dụng chính trị và quân sự cho lồng Faraday. Các chính trị gia chỉ có thể chọn thảo luận những vấn đề nhạy cảm trong những căn phòng được che chắn có thể ngăn chặn các công nghệ nghe trộm. Tất cả các lực lượng vũ trang hiện đại đều phụ thuộc vào thiết bị điện tử cho các hệ thống liên lạc và vũ khí, nhưng có một điểm khó khăn - những hệ thống này rất dễ bị tấn công bởi các EMP ( xung điện từ ), có thể là kết quả của một cơn bão mặt trời hoặc thậm chí các cuộc tấn công EMP do con người tạo ra. Để bảo vệ các hệ thống quan trọng, quân đội đôi khi sử dụng các boongke và phương tiện được che chắn.

Cũng chính vì lý do này mà lồng Faraday là một chủ đề ưa thích trong tiểu văn hóa sinh tồn. Những người này, những người thuyết giảng về khả năng tự cung tự cấp và không tin tưởng vào phản ứng của chính phủ khi đối mặt với thiên tai do con người gây ra, tin tưởng vào việc che chắn tất cả các thiết bị điện tử quan trọng bằng lồng Faraday tự chế. Trong trường hợp một trận đại hồng thủy xảy ra, họ vẫn sẽ có radio sóng ngắn và các công cụ công nghệ cao khác có thể là vật cứu hộ.

Ngay cả khi bạn không đặc biệt quan tâm đến các kịch bản ngày tận thế, lồng Faraday có thể đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của bạn hàng ngày. Những chiếc lồng này khai thác một nguyên tắc vật lý cơ bản và giúp mọi người trên khắp hành tinh sử dụng những nguyên tắc đó - vì sự an toàn, sang trọng, tiện lợi và để giúp những tiến bộ công nghệ ngày càng thú vị hơn nữa.

Xuất bản lần đầu: 28 tháng 6, 2011

Lồng Faraday là gì và nó hoạt động như thế nào?

Cái gì có thể xuyên qua lồng Faraday?

Lồng Faraday có hợp pháp không?

Bạn có thể sử dụng giấy nhôm làm lồng Faraday không?

Bạn có thể mua một cái lồng Faraday không?

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn

Nguồn