กรงฟาราเดย์

Q: ประวัติศาสตร์

ในปี ค.ศ. 1754 Jean-Antoine Nollet ได้ตีพิมพ์เรื่องราวเกี่ยวกับผลกระทบของกรงใน Leçons de physique expérimentale ของ เขา [ 2 ]

กรงฟาราเดย์หรือเกราะฟาราเดย์เป็นสิ่งห่อหุ้มที่ใช้เพื่อปิดกั้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า บางชนิด เกราะฟาราเดย์อาจสร้างขึ้นจากวัสดุตัวนำที่หุ้ม อย่างต่อเนื่อง หรือในกรณีของกรงฟาราเดย์ อาจสร้างขึ้นจากตาข่ายของวัสดุดังกล่าว กรงฟาราเดย์ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ไมเคิล ฟาราเดย์ผู้สร้างกรงฟาราเดย์เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1836 ^{[ 1 ]}

กรงฟาราเดย์ทำงานได้เพราะสนามไฟฟ้าภายนอกจะทำให้ประจุไฟฟ้าภายในวัสดุตัวนำของกรงกระจายตัวในลักษณะที่หักล้างผลกระทบของสนามไฟฟ้าภายในกรง ปรากฏการณ์นี้สามารถใช้เพื่อปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ไวต่อสัญญาณรบกวน (เช่นเครื่องรับสัญญาณ RF ) จากการรบกวนคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) ภายนอก ซึ่งมักใช้ในระหว่างการทดสอบหรือการปรับแต่งอุปกรณ์ กรงฟาราเดย์ยังใช้เพื่อปกป้องคนและอุปกรณ์จากกระแสไฟฟ้า เช่นฟ้าผ่าและการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต เนื่องจากกรงนำกระแสไฟฟ้าไปรอบๆ ด้านนอกของพื้นที่ปิดล้อม และไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านภายใน

กรงฟาราเดย์ไม่สามารถปิดกั้นสนามแม่เหล็กที่มีเสถียรภาพหรือเปลี่ยนแปลงช้าๆ เช่นสนามแม่เหล็กโลก ได้ ( เข็มทิศ ยังคงทำงานได้ภายในกรง) อย่างไรก็ตาม ในระดับหนึ่ง กรงฟาราเดย์สามารถป้องกัน รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอกได้หากตัวนำมีความหนาเพียงพอและรูใดๆ มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของรังสีอย่างมาก ตัวอย่างเช่นขั้นตอนการทดสอบระบบอิเล็กทรอนิกส์ทางนิติวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ บางอย่างที่ต้องการสภาพแวดล้อมที่ปราศจาก การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถดำเนินการได้ภายในห้องที่มีการป้องกัน ห้องเหล่านี้เป็นพื้นที่ที่ปิดล้อมอย่างสมบูรณ์ด้วยตาข่ายโลหะละเอียดหรือแผ่นโลหะเจาะรูหนึ่งชั้นหรือมากกว่านั้น ชั้นโลหะเหล่านี้ต่อลงดินเพื่อกระจายกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกหรือภายใน และด้วยเหตุนี้จึงสามารถปิดกั้นการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้เป็นจำนวนมาก (ดูเพิ่มเติมที่การป้องกันทางแม่เหล็กไฟฟ้า ) กรงฟาราเดย์มีการลดทอนการส่งสัญญาณขาออกน้อยกว่าขาเข้า: พวกมันสามารถปิด กั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMP) จากปรากฏการณ์ธรรมชาติได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในความถี่สูง อุปกรณ์ติดตามอาจสามารถทะลุผ่านจากภายในกรงได้ (เช่น โทรศัพท์มือถือบางรุ่นทำงานที่ความถี่วิทยุต่างๆ ดังนั้นในขณะที่ความถี่หนึ่งอาจใช้งานไม่ได้ ความถี่อื่นอาจใช้งานได้)

การรับหรือส่งคลื่นวิทยุซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากหรือไปยังเสาอากาศภายในกรงฟาราเดย์ จะถูกลดทอนหรือถูกปิดกั้นอย่างมากโดยกรง อย่างไรก็ตาม การลดทอนของกรงฟาราเดย์จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับรูปคลื่น ความถี่ หรือระยะห่างจากตัวรับหรือตัวส่ง และกำลังของตัวรับหรือตัวส่ง การส่งสัญญาณความถี่สูงในระยะใกล้ เช่นHF RFIDมีแนวโน้มที่จะทะลุผ่านได้มากกว่า กรงแบบทึบโดยทั่วไปจะลดทอนสนามในช่วงความถี่ที่กว้างกว่ากรงแบบตาข่าย

ประวัติศาสตร์

ในปี ค.ศ. 1754 Jean-Antoine Nolletได้ตีพิมพ์เรื่องราวเกี่ยวกับผลกระทบของกรงในLeçons de physique expérimentale ของ เขา^{[ 2 ]}

ในปี ค.ศ. 1755 เบนจามิน แฟรงคลินสังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้โดยการปล่อยลูกบอลไม้ก๊อกที่ไม่มีประจุซึ่งแขวนอยู่บนเส้นไหมผ่านช่องเปิดในกระป๋องโลหะที่มีประจุไฟฟ้า พฤติกรรมดังกล่าวเป็นลักษณะของกรงฟาราเดย์หรือเกราะป้องกัน^{[ 3 ]}

ในปี ค.ศ. 1836 ไมเคิล ฟาราเดย์ สังเกตว่าประจุส่วนเกินบนตัวนำที่มีประจุจะอยู่เฉพาะที่ด้านนอกเท่านั้น และไม่มีผลกระทบต่อสิ่งใดๆ ที่อยู่ภายใน เพื่อพิสูจน์สิ่งนี้ เขาได้สร้างห้องที่หุ้มด้วยแผ่นฟอยล์โลหะ และปล่อยให้ประจุไฟฟ้าแรงสูงจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตพุ่งไปที่ด้านนอกของห้อง เขาใช้เครื่องวัดไฟฟ้าสถิตเพื่อแสดงให้เห็นว่าไม่มีประจุไฟฟ้าอยู่ภายในผนังห้อง

การดำเนินการ

ต่อเนื่อง

เกราะฟาราเดย์แบบต่อเนื่องเป็นตัวนำกลวง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้จากภายนอกหรือภายในจะสร้างแรงกระทำต่อตัวนำประจุ (โดยปกติคืออิเล็กตรอน) ภายในตัวนำ ประจุจะถูกกระจายใหม่ตามนั้นเนื่องจากการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตประจุที่กระจายใหม่จะลดแรงดันไฟฟ้าภายในพื้นผิวลงอย่างมาก โดยขึ้นอยู่กับความจุในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม การหักล้างอย่างสมบูรณ์จะไม่เกิดขึ้น^{[ 4 ]}

ค่าใช้จ่ายภายใน

หากวางประจุไว้ภายในแผ่นป้องกันฟาราเดย์ที่ไม่ได้ต่อลงดินโดยไม่ให้สัมผัสกับผนัง ด้านในของแผ่นป้องกันจะกลายเป็นประจุทำให้เกิดเส้นสนามไฟฟ้าที่เริ่มต้นจากประจุและแผ่ขยายไปยังประจุภายในพื้นผิวด้านในของโลหะ เส้นทางของเส้นสนามไฟฟ้าในพื้นที่ภายในนี้ (ไปยังประจุลบที่ปลาย) ขึ้นอยู่กับรูปร่างของผนังด้านใน ในขณะเดียวกัน ประจุจะสะสมอยู่บนพื้นผิวด้านนอกของแผ่นป้องกัน การแพร่กระจายของประจุบนพื้นผิวด้านนอกไม่ได้รับผลกระทบจากตำแหน่งของประจุภายใน แต่ถูกกำหนดโดยรูปร่างของพื้นผิวด้านนอก ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้ว แผ่นป้องกันฟาราเดย์สร้างสนามไฟฟ้าสถิตภายนอกแบบเดียวกันกับที่มันจะสร้างขึ้นหากโลหะถูกประจุด้วยดูการทดลองถังน้ำแข็งของฟาราเดย์เป็นตัวอย่างสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเส้นสนามไฟฟ้าและการแยกตัวของภายนอกออกจากภายใน โปรดทราบว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ใช่ประจุไฟฟ้าสถิต $+Q$ $-Q$ $+Q$ $+Q$

หากกรงถูกต่อลงดินประจุส่วนเกินจะถูกทำให้เป็นกลาง เนื่องจากจุดต่อลงดินจะสร้างพันธะศักย์เท่ากันระหว่างด้านนอกของกรงกับสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงไม่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างกัน และด้วยเหตุนี้จึงไม่มีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น พื้นผิวด้านในและประจุภายในจะยังคงเหมือนเดิม ดังนั้นสนามแม่เหล็กจึงยังคงอยู่ภายใน

ทุ่งภายนอก

ประสิทธิภาพในการป้องกันไฟฟ้าสถิตนั้นแทบไม่ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของวัสดุตัวนำ แต่สนามแม่เหล็กสถิตสามารถทะลุผ่านแผ่นป้องกันได้ทั้งหมด

ในกรณีที่สนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลง ยิ่งการเปลี่ยนแปลงเร็วเท่าไร (กล่าวคือ ความถี่ยิ่งสูง) วัสดุก็จะยิ่งต้านทานการทะลุผ่านของสนามแม่เหล็กได้ดีขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้ การป้องกันยังขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุตัวนำที่ใช้ในโครงสร้าง รวมถึงความหนาของวัสดุเหล่านั้นด้วย

ตัวอย่างที่ดีของประสิทธิภาพของเกราะฟาราเดย์สามารถพิจารณาได้จากความลึกของผิววัสดุ ในกรณีของความลึกของผิววัสดุ กระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่จะไหลอยู่บนพื้นผิวและลดลงอย่างรวดเร็วตามความลึกที่ผ่านวัสดุเข้าไป เนื่องจากเกราะฟาราเดย์มีความหนาจำกัด ความหนาจึงเป็นตัวกำหนดว่าเกราะจะทำงานได้ดีเพียงใด เกราะที่หนากว่าจะสามารถลดทอนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีกว่าและมีความถี่ต่ำกว่า