Faradays burar finns i alla former och storlekar, men alla använder en metallskärm som leder elektricitet, skapa en skyddande effekt. Hemera Technologies/© Getty Images/Thinkstock Elektricitet är livsnerven i många aspekter av vår värld. Utan volt och ampere, många av våra tekniska innovationer skulle upphöra att existera. Även våra kroppar skulle inte fungera utan att en elektrisk laddning zippade genom våra celler. Men vad el ger, el kan ta bort.
Även om denna form av energi är avgörande för så mycket av våra liv, det är en av de sakerna som bara är bra i rätt mängd. För mycket el kan störa människor. Likaså, det kan döda vår moderna elektronik och maskiner.
Men tack vare Michael Faraday, den briljanta forskaren från 1800-talet, och en av hans namne uppfinningar, Faraday -buren, vi människor har utvecklat många sätt att styra el och göra den säkrare för våra datorer, bilar och andra uppfinningar - och för oss, för.
Faradays burar skyddar deras innehåll från statiska elektriska fält. Ett elektriskt fält är ett kraftfält som omger a laddad partikel , såsom en elektron eller proton.
Dessa burar ser ofta tydligt ut, väl, cagelike. Vissa är lika enkla som kedjelänkstaket eller iskärl. Andra använder ett fint metalliskt nät. Oavsett deras exakta utseende, alla Faradays burar tar elektrostatiska laddningar, eller till och med vissa typer av elektromagnetisk strålning, och fördela dem runt burens utsida.
Elektromagnetisk strålning finns runt omkring oss. Det är i synligt och ultraviolett ljus, i mikrovågorna som lagar vår mat och även i FM- och AM -radiovågorna som pumpar musik genom våra radioapparater. Men ibland, denna strålning är oönskad och direkt störande. Det är där Faraday burar kommer in.
Som en Faraday -bur fördelar den laddningen eller strålningen runt burens utsida, det avbryter elektriska laddningar eller strålning i burens inre. Kortfattat, en Faraday -bur är en ihålig ledare, i vilken laddningen förblir på burens yttre yta.
Den grundläggande funktionen har många fascinerande användningsområden i vår elektriskt röriga och teknikfyllda värld. Och även om Faraday så småningom skulle få sin dag, bakgrunden för hans uppfinning har faktiskt sina rötter i tidigare tider. Så, var kom idén till dessa extremt användbara burar ifrån? Ta reda på det på nästa sida.
Innehåll
Tidiga forskare visste att blixten höll hemligheterna för alla möjliga fantastiska krafter. Ben Franklin utförde många experiment för att ta reda på elens mysterier. iStockphoto/Thinkstock Det var Ben Franklin som hjälpte till att inspirera många av idéerna bakom Faradays burar. Franklin, självklart, tillbringade en del av sin berömda karriär med att flyga drakar i åskväder i försök att locka till sig blixtnedslag och var därmed redan lite bekant med elektricitetens svagheter och begrepp.
År 1755, Franklin började leka med el på nya sätt. Han elektrifierade en burk av silverfärg och sänkte ner en oladdad korkboll som var fäst vid en icke-ledande siden tråd i den. Han sänkte bollen tills den vidrör burkens botten och observerade att bollen inte lockades till burkens insida. Men när Franklin drog tillbaka korkbollen och dinglade den nära den elektrifierade burkens utsida, bollen drogs direkt till burkens yta.
Franklin blev förvirrad av samspelet mellan elektricitet och de laddade och oladdade föremålen. Han erkände lika mycket i ett brev till en kollega:"Du kräver anledningen; jag vet inte det. Kanske kan du upptäcka det, och då kommer du att vara så bra att kommunicera det till mig. "
Årtionden senare, en engelsk fysiker och kemist vid namn Michael Faraday gjorde andra relevanta observationer - nämligen han insåg att det var en elektrisk dirigent (som en metallbur), vid laddning, uppvisade den laddningen endast på dess yta. Det hade ingen effekt på konduktörens inre.
Faraday bekräftade denna observation genom att klä ett rum med metallfolie och sedan ladda folien med hjälp av en elektrostatisk generator. Han placerade en elektroskop (en enhet som detekterar elektriska laddningar) inne i rummet, och, som han förväntade sig, omfattningen indikerade att det inte fanns någon avgift i rummet. Laddningen flyttade precis längs foliens yta och trängde inte in i rummet alls.
Faraday undersökte vidare detta fenomen med sitt berömda isburksexperiment. I detta test, han duplicerade i princip Franklins idé genom att sänka en laddad mässingskula till en metallkopp. Som förväntat, hans resultat var desamma som Franklins.
Detta koncept har alla möjliga fantastiska applikationer, men här är en som är relevant för alla som någonsin har varit i ett flygplan. Tänk dig att flyga i ett flygplan som plötsligt träffas av blixtnedslag. Detta är inte en sällsynt händelse - det händer faktiskt regelbundet, men planet och dess passagerare påverkas inte. Det beror på att aluminiumskrovet på planet skapar en Faraday -bur. Laddningen från blixtnedslaget kan passera ofarligt över planets yta utan att skada utrustningen eller människor inuti.
Det är inte chockerande, verkligen. Det är bara vetenskap. På nästa sida, du kommer att se hur den här smarta typen av burdesign verkligen fungerar.
För att förstå hur Faradays burar fungerar, du behöver en grundläggande förståelse för hur el fungerar i ledare. Processen är enkel:Metallföremål, såsom ett aluminiumnät, är ledare, och ha elektroner (negativt laddade partiklar) som rör sig i dem. När det inte finns någon elektrisk laddning, ledaren har ungefär samma antal sammanblandande positiva och negativa partiklar.
Om ett yttre föremål med en elektrisk laddning närmar sig ledaren, de positiva och negativa partiklarna separeras. Elektroner med en laddning motsatt den för den externa laddningen dras till det yttre föremålet. Elektroner med samma laddning som det yttre objektet avvisas och rör sig bort från objektet. Denna omfördelning av avgifter kallas elektrostatisk induktion .
Med det externa laddade objektet närvarande, de positiva och negativa partiklarna hamnar på motsatta sidor av ledaren. Resultatet är ett motsatt elektriskt fält som avbryter fältet för det yttre föremålets laddning inuti metallledaren. Nettoladdningen inuti aluminiumnätet, sedan, är noll.
Och här är den riktiga sparken. Även om det inte finns någon laddning inuti ledaren, det motsatta elektriska fältet har en viktig effekt- det skyddar insidan från yttre statiska elektriska laddningar och även från elektromagnetisk strålning, som radiovågor och mikrovågor. Däri ligger det sanna värdet av Faraday -burar.
Effektiviteten av denna skärmning varierar beroende på burens konstruktion. Variationer i konduktiviteten hos olika metaller, såsom koppar eller aluminium, påverkar burens funktion. Storleken på hålen i skärmen eller nätet förändrar också burens kapacitet och kan justeras beroende på frekvensen och våglängden för den elektromagnetiska strålningen du vill utesluta från burens inre.
Faradays burar går ibland under andra namn. De kan kallas Faradays sköldar , RF ( radiofrekvens ) burar , eller EMF ( elektromotorisk kraft ) burar .
Oavsett vad du kallar dem, Faradays burar används oftast i vetenskapliga laboratorier, antingen i experiment eller i produktutveckling. På nästa sida, du kommer att upptäcka exakt hur ingenjörer testar dessa geniala sköldar.
Inte vad Michael hade i åtankeNär Faraday byggde sin första bur, han hade nog inte tjuv på hjärnan. Men poliser tar ofta upp snatterier som foder påsar med aluminiumfolie, som stör de stöldskyddande RFID -taggarna som är fästa på dyra produkter i butiker.
Han kom från en fattig familj och hade liten utbildning som barn, men Michael Faraday blev en av världens mest kända och kända forskare. Hemera/Thinkstock Människor använder Faradays burar för en mängd olika ändamål - ibland i esoteriska labbinställningar, andra gånger i vanliga produkter. Din bil, till exempel, är i grunden en Faraday -bur. Det är burens effekt, inte gummidäcken, som skyddar dig vid ett närliggande blixtnedslag.
Många byggnader fungerar som Faradays burar, för, om bara av en slump. Med sina gips- eller betongväggar strödda med metallstång eller trådnät, de orsakar ofta förödelse med trådlösa internetnätverk och mobiltelefonsignaler.
Men den skyddande effekten gynnar oftast mänskligheten. Mikrovågsugnar vänder effekten, fånga vågor i en bur och snabbt laga din mat. Skärmade TV -kablar hjälper till att bibehålla en skarp, klar bild genom att minska störningar.
Elleverantörer bär ofta specialtillverkade kostymer som utnyttjar Faradays burkoncept. Inom dessa dräkter, linjemännen kan arbeta på högspänningsledningar med en mycket minskad risk för elstöt.
Regeringar kan skydda vital telekommunikationsutrustning från blixtnedslag och andra elektromagnetiska störningar genom att bygga Faradays burar runt dem. Vetenskapslaboratorier vid universitet och företag använder avancerade Faraday -burar för att helt utesluta alla externa elektriska laddningar och elektromagnetisk strålning för att skapa en helt neutral testmiljö för alla möjliga experiment och produktutveckling.
Fascinerad? Fortsätt läsa, och du kommer att se andra vilda sätt denna enkla burseffekt används för sofistikerade ändamål.
Gör din egen burDu behöver inte spendera miljoner eller ha en fysiksexamen för att göra din egen Faraday -bur. På internet, du kan hitta instruktioner för att bygga en enkel bur från vanliga hushållsprodukter.
Mikrovågsugnar är en vanlig produkt som använder en Faraday -bur. Istället för att hålla mikrovågor ute, de tvingar dem in i en liten tillagningskammare som "nukes" din mat. Jupiterimages/© Getty Images/Thinkstock Swing vid ett sjukhus och du hittar Faraday burar i form av MR ( magnetisk resonansskanning ) rum. MR -skanningar är beroende av kraftfulla magnetfält för att skapa medicinskt användbara skanningar av människokroppen. MR -rum måste vara avskärmade för att förhindra att elektromagnetiska fält avviker från att påverka patientens diagnostiska bilder.
Det finns gott om politiska och militära användningsområden för Faraday -burar, för. Politiker kan välja att diskutera känsliga frågor endast i avskärmade rum som kan blockera avlyssningsteknik. Alla moderna väpnade styrkor är beroende av elektronik för kommunikation och vapensystem, men det finns en fångst -dessa system är sårbara för aggressiva EMPs ( elektromagnetiska pulser ), som kan vara ett resultat av en solstorm eller till och med konstgjorda EMP-attacker. För att skydda kritiska system, militärer använder ibland skärmade bunkrar och fordon.
Det är av samma anledning som Faraday -burar är ett förtjust ämne i den survivalistiska subkulturen. Dessa människor, som predikar självförsörjning och misstro mot regeringens svar inför mänskliga eller naturkatastrofer, tror på att skydda all viktig elektronik med hemlagade Faraday -burar. Om en apokalyptisk katastrof inträffar, de kommer fortfarande att ha sina kortvågsradioer och andra högteknologiska verktyg som kan vara livräddare.
Även om du inte är särskilt bekymrad över domedagsscenarier, Faradays burar spelar sannolikt en roll i ditt liv varje dag. Dessa burar utnyttjar en grundläggande fysikprincip och hjälper människor över hela planeten att använda dessa principer - för säkerhets skull, lyx, bekvämlighet och för att hjälpa till med alltmer spännande tekniska framsteg.
Ursprungligen publicerat:28 juni 2011
Källor
