Эффект клетки фарадея что это
Эффект клетки Фарадея при окраске порошком
Электростатические силовые линии стремятся концентрироваться на краях впадин, так как там меньше сопротивления электрическим силам, чем внутри впадин. Порошок быстро накапливается на краях, следуя за силовыми линиями поля, а во впадинах остаётся намного меньше порошка.
Поскольку порошок преимущественно накапливается на острых краях и выпуклых заземлённых местах, он создаёт поле изображения на поверхности предмета и начинает становиться самоограничивающим. Вдобавок проводящая поверхность предмета защищает внутренние углы от электростатического поля, создаваемого пистолетом. Кроме того, воздух, переносящих порошок, часто образует вихрь внутри зоны клетки Фарадея, разметая порошок в стороны. Эта комбинация сил делает покрытие впадин одной из самых сложных задач, стоящих перед человеком, наносящим покрытие. Единственная сила, которая способствует осаждению внутри впадин – это поле, создаваемое пространственным зарядом порошковых частиц, которые приносятся воздушным потоком внутрь впадины.
Поскольку силовые линии поля от разрядного электрода следуют по пути наименьшего сопротивления к передним кромкам впадины, в этих зонах быстро развивается сила поля. В результате образуется немного положительных ионов, которые уменьшают зарядную силу тех частиц, которые проходят края и проникают дальше во впадину. Когда это происходит, кумулятивного пространственного заряда частиц, которые проходят через передние кромки зоны Фарадея, становится недостаточно для притяжения порошка к металлической поверхности. Эта проблема имеет прямое отношение к накоплению свободных ионов на поверхности предмета. Проблема с проникновением во внутренние углы намного сложнее в ситуациях, когда предмет плохо заземлён. Многие пользователи, наносящие покрытие, регулярно не проверяют заземление предмета. Проверка заземления должна быть рутинной операцией в ежедневной работе с порошковой системой.
присутствующие в коронном поле, добавляют дополнительные электроны к порошковой частице. Повинуясь своей природе, частицы притягиваются к заземлённому источнику, чтобы разрядить эти электроны и вновь обрести нейтральность. Вот что заставляет порошок прилипать к рабочей поверхности.
Фазы в последовательности зарядов отрицательно заряженного коронного пистолета:
• высокое напряжение поступает к электроду в наконечнике пистолета
• концентрированное напряжение создаёт электрическое поле
• электрическое поле вызывает ионизацию воздуха
• ионизированный воздух образует корону
• корона выпускает электроны
• электроны собираются на кислородных молекулах для образования отрицательных ионов
• эти ионы следуют за силовыми линиями поля, образованными вольтажным разрядом
• порошковые частицы деформируют поле вокруг них
• деформированные силовые линии полей направляют ионы к порошковым частицам
• как только ионы сталкиваются с порошковыми частицами, электроны смещаются, придавая частицам отрицательный заряд.
Успех данного процесса зависит от многих переменных. Наиболее сильное влияние на заряд оказывает сила поля, размер и форма частиц и период времени, который частица проводит в зарядной зоне. Единичная порошковая частица имеет очень малую массу. Некоторые частицы не заряжаются, а некоторые зависят от потока воздуха и других сил. Но многие частицы заряжаются и ищут заземление. Для эффективного перемещения важно, чтобы объект нанесения покрытия был наиболее выступающим заземлённым предметом в зоне разряда.
Большинство порошковых веществ являются сильными диэлектриками. Как только они зарядились, заряд немедленно не исчезает. Как только порошковые частицы достигают заземлённой поверхности, они индуцируют на внутренней стороне металла заряд такой же силы и противоположной полярности. Электроны внутри металла освобождают пространство, оставляя положительный заряд, который притягивает отрицательно заряженное порошковое вещество. Данный заряд в металле обычно называется «зеркальный заряд». Противоположные заряды притягиваются друг к другу и прикрепляют порошковые частицы к металлической поверхности. Они также образуют между ними другое электрическое поле. Крупные порошковые частицы с более высоким зарядом способствуют созданию более сильного электрического поля между ними и поверхностью предмета.
Крупные порошковые частицы обычно образуют более сильный заряд, чем мелкие. Поскольку они накапливаются на поверхности, они могут создать сопротивление осаждению мелких частиц, имеющих слабый заряд. Это один из факторов, который может вызвать образование «апельсиновой корки», слабо текстурного вида толстой порошковой плёнки после отверждения. Это, в частности, обязательно происходит, если порошок не остаётся в разжижающем цикле достаточно долго для того, чтобы помочь плёнке выровняться.
Что такое клетка Фарадея
В далеком 1836 году английский физик и изобретатель Майкл Фарадей создал специальное устройство для экранирования аппаратуры от электромагнитных излучений. Это устройство актуально и по сей день, и как и прежде носит имя ученого. Речь о клетке Фарадея.
Данное устройство представляет собой защитную клетку, изготовленную из обладающего высокой электропроводностью металла, и, как правило, заземленную. Принцип действия этого простого устройства также достаточно прост:
Когда внешнее электрическое поле воздействует на клетку, свободные электроны металла клетки приходят в движение, и противоположные стороны конструкции оказываются заряжены так, что их поле компенсирует внешнее электрическое поле.
Это можно проверить на простом эксперименте с двумя электроскопами и клеткой Фарадея, заряженной от высоковольтного источника: электроскоп, присоединенный к внутренней поверхности латунной клетки Фарадея, и помещенный внутрь нее, не покажет наличия электрического заряда, а электроскоп, подключенный снаружи — покажет.
Электроскоп — прибор для обнаружения электрических зарядов, основанный на взаимодействии зарядов. При наличий зарядов вследствие их взаимодействия подвижная система электроскопа (листочки, стрелка) отклоняется от положения равновесия, и но величине отклонения можно приблизительно судить о величине зарядов.
Постоянное же магнитное поле, в отличие от электрического, внутрь клетки проникнет беспрепятственно. Однако, поскольку переменное электрическое поле, порождающее переменное магнитное поле, экранируется клеткой, то переменное магнитное поле внутрь клетки не проникает, так как просто не успевает возникнуть. По этой причине клетка Фарадея защищает внутреннее свое пространство, и объекты, находящиеся в нем, не только от электрического поля, но и от действия внешних электромагнитных волн.
Если же обратить внимание на высокие частоты, то электромагнитные волны высокой частоты (по сравнению с размером ячейки сетки клетки) будут частично отражаться от клетки, а также будут просто напросто затухать в толще металла, индуцируя в нем вихревые токи, и рассеиваясь в конечном итоге в виде тепла.
Тем не менее, эффективность экранирующей функции клетки Фарадея связана со следующими параметрами: с глубиной поверхностного слоя (скин-слоя), с толщиной металла клетки, и с размером проема по отношению к длине волны внешнего излучения, от которого требуется экранирование.
Так, для экранирования кабелей применяют клетки Фарадея с проводниками конструкции из хорошо проводящих материалов. Размер ячейки, для эффективной работы клетки Фарадея, обязательно должен быть сильно меньше длины волны экранируемого излучения.
Разновидность клетки Фарадея каждый может встретить в микроволновке. На дверце микроволновки присутствует металлическая сетка, ячейки которой достаточно мелки по сравнению с длиной волны, создаваемой магнетроном. Микроволновка работает на частоте 2450 МГц, и длина волны здесь чуть больше 12 см, очевидно, сетка на дверце микроволновки легко экранирует это излучение, не давая ему выйти наружу.
Роль остальной части клетки в микроволновой печи играет металлическая камера, в которой находится разогреваемая пища. Кстати, если в микроволновую печь (в выключенную!) положить сотовый телефон, то он окажется вне зоны действия сети, поскольку волны сотовой связи стандарта GSM еще длиннее, чем волны порождаемые магнетроном микроволновки.
Другие примеры клеток Фарадея из реальной жизни:
Машины и самолеты. Оба эти вида транспорта представляют собой гигантские металлические клетки. Благодаря металлическому корпусу автомобили и самолеты защищены от ударов молнии. Если вы когда-нибудь застрянете в машине во время грозы или ваш самолет пролетает через грозу, вам не нужно беспокоиться о том, что молния навредит вам.
Кабинеты МРТ. Аппараты магнитно-резонансной томографии используют сильные магнитные поля и радиоволны для создания изображений тела. Помещения вокруг машин МРТ созданы как клетки Фарадея, чтобы внешние источники радиочастот не мешали визуализации, а также предотвращали выход избыточного количества излучения из комнаты МРТ.
Военные и правительственные здания. Военные комнаты, операционные центры, центры обработки данных, конференц-офисы, а также комнаты промышленного шпионажа, безопасности и разведки часто состоят из клеток Фарадея. Это сделано для защиты комнаты и ее конфиденциальной или очень ценной информации внутри от взлома, подслушивания или даже кибервойны и атак с помощью ЭМИ (электромагнитного импульса). Однако те, кто работает в клетках Фарадея с электронным оборудованием, часто подвергаются гораздо более высокому риску воздействия электромагнитного поля, поскольку излучения остаются внутри здания.
Примером современной клетки Фарадея является сумка ConcealShield® Privacy Pouch, которая полностью закрывает устройство, чтобы блокировать все излучения и все беспроводные сигналы на вход и выход. Это сумка предотвращают кражу личных данных и отслеживание мобильного устройства.
Существуют специальные металлические костюмы, работающие по принципу индивидуальной клетки Фарадея, изготовленные из волокон нержавеющей стали и меди.
Такие костюмы используют монтажники высоковольтных линий электропередач, ибо даже отключенная линия, длиной в много километров, скапливает на себе опасное количество статического заряда. А костюм защищает человека от поражения электрическим разрядом.
Подобные защитные комплекты на основе серебряной ткани защищают электромонтеров и от вредного воздействия электромагнитного поля высоковольтных установок, где электрическая составляющая очень высока. Такие комплекты, как утверждают их производители, предназначены для защиты:
от воздействия электрического поля промышленной частоты;
от воздействия тока смещения, вызванного переменным электромагнитным полем;
от воздействия интенсивного электромагнитного излучения, возникающего при разряде между контактами разъединителей;
от разрядов электрического тока при прикосновении к заземленным или изолированным предметам, частям оборудования, а также траве и мелкому кустарнику;
от электротравм при попадании под наведенное или шаговое напряжение.
Комплекты создают замкнутое экранированное пространство вокруг тела человека, облаченного в костюм, исключая любое проникновение электрического поля внутрь. Все элементы комплектов изготавливаются из электропроводящих материалов и соединяются между собой каналами повышенной проводимости и электропроводящими контактными выводами. Благодаря таким костюмам тело человека шунтируется, и обеспечивается безопасное стекание токов электростатической или емкостной природы.
Любители катушек Тесла также используют костюмы, напоминающие индивидуальные клетки Фарадея. Ток просто стекает по поверхности костюма на проводящие части с меньшим сопротивлением, не причиняя ущерба человеку, участвующему в шоу.
Как видим, клетка Фарадея применяется сегодня много где. В клетки Фарадея заключают электрические установки высокого напряжения, клетки Фарадея используют в шоу, наконец любое производство, связанное с опасным микроволновым и другим электромагнитным излучением, не обходится без целых цехов и комнат, заключенных в клетки Фарадея.
Надеемся, что данная статья явилась для вас полезной, и теперь вы понимаете, насколько важное значение может иметь простое с виду устройство, напоминающее обычную коробку из сетки. Ведь Клетка Фарадея в различных применениях не только экранирует разнообразное чувствительное к электрическим полям и излучениям оборудование, но и бережет здоровье людей, предотвращая онкологические, и многие другие заболевания, которые могут быть вызваны чрезмерным действием электромагнитных излучений на живой организм.
Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности
Клетка Фарадея или «щит Фарадея» — это замкнутое пространство для предотвращения прохождения электромагнитных полей. Клетка изготавливается из токопроводящего сплошного материала или токопроводящей сетки, обычно ее еще и заземляют. Названа она так по имени английского ученого Майкла Фарадея, изобретшего ее в 1836 году.
История открытия
В 1836 году Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном проводнике локализуется лишь на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на предметы внутри. Для демонстрации этого факта он оборудовал комнату, покрытую металлической пленкой, и подавал на внешнюю сторону комнаты высоковольтный заряд от электростатического генератора.
Для доказательства отсутствия электрических зарядов на внутренних сторонах стен комнаты Фарадей использовал электроскоп. Электроскоп внутри комнаты, либо при подсоединении его к внутренней поверхности, фиксировал отсутствие заряда, в то время как у электроскопа, подсоединенного к наружной поверхности, листочки расходились.
Для демонстрации эффекта выталкивания поля в клетку помещались небольшие животные. При подведении к ней мощного электрического заряда от электростатического генератора, заряд не причинял животным никакого вреда, поскольку стекал по ее поверхности.
Хотя проявление этого эффекта было приписано знаменитому эксперименту с цилиндром Фарадея (или «ведерком со льдом»), проведенном Майклом Фарадеем в 1843 году, наблюдал феномен еще в 1755 году американский ученый Бенджамин Франклин. Опыт заключался в том, что Франклин опускал подвешенный на шелковой нити незаряженный пробковый шарик через отверстие в заряженную металлическую банку. По его словам, «пробка не притягивалась к внутренним стенкам банки, как она притягивалась к наружным. Хотя пробка была опущена до дна банки, по вытаскиванию из нее она оказалась незаряженной вследствие касания, что наблюдалось, когда пробка касалась наружной стороны банки». Этот эффект также был открыт задолго до Фарадея итальянским физиком Джованни Батиста Беккариа.
Принцип действия
Принцип действия клетки заключается в том, что внешнее электрическое поле приводит к перераспределению свободных электронов в токопроводящем материале клетки таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. Их поле компенсирует внешнее поле, и внутри поле отсутствует. Этот принцип лучше всего понимается, если клетку представить идеальным полым проводником. Перераспределение зарядов вызывает в проводнике электрический ток, который прекращается, когда внешнее электрическое поле компенсируется.
Экранирующее действие замкнутых металлических оболочек было теоретически предсказано в 1813 году французским математиком и физиком Симеоном Дени Пуассоном. Позднее, в 1828 году, английским математиком и физиком Джорджем Грином. Предсказание ученых основывалось на том, что внутри замкнутой металлической оболочки электрический потенциал постоянен, следовательно, напряженность электрического поля равна нулю, что и является доказательством ее экранирующих свойств.
Клетка Фарадея не в состоянии оградить внутреннее пространство от постоянного либо медленно меняющегося магнитного поля, например, поля земного магнетизма (компас внутри клетки продолжает правильно показывать на Север). Но, поскольку переменное магнитное поле создается переменным электрическим полем, а переменное электрическое поле в клетку не проникает, то не проникает в нее и переменное магнитное поле. Следовательно, клетка защищает находящиеся в ней объекты (и человека) от действия электромагнитных волн. Для экранирования высокочастотного излучения размер ячейки клетки должен быть меньше длины волны излучения.
Эффективность экранирования статического электрического поля зависит от формы токопроводящего материала. В случае изменяющегося электрического поля, и при наличии сопутствующего изменяющегося магнитного поля, чем быстрее эти изменения (т.е. чем выше частота), тем лучше материал сопротивляется проникновению поля. С другой стороны, с повышением частоты поле лучше проникает через сетку с заданным размером ячеек. В этом случае экранирование зависит от электрической проводимости материала клетки, а также его толщины.
Если заряд помещается внутри незаземленной клетки, ее внутренняя поверхность заряжается (аналогично описанному выше процессу с внешним зарядом). Клетка Фарадея блокирует исходящие из нее электромагнитные волны в меньшей степени, чем входящие, и, таким образом, прибор слежения, или «маячок», особенно работающий на высокой частоте, может «пробить» поверхность клетки, работая изнутри.
Лифты и прочие помещения с металлическими проводящими каркасами и стенками могут приводить к пропаже сигнала и появлению «мертвых зон» для пользователей сотовых телефонов, раций, и прочих электронных устройств, принимающих внешние радиосигналы.
Для экранирования излучения работающего внутри микроволновой печи магнетрона с длиной волны порядка 12 см корпус печи выполнен из сплошного металла (нержавеющей стали). Прозрачное окно дверки представляет собой пакет из стеклянных или пластмассовых пластин с обязательным металлическим перфорированным листом между ними. Диаметр отверстий в листе не выше 1-3 мм, что полностью исключает выход излучения из микроволновой печи. Отсутствие просачивания излучения через щель между дверкой и камерой обеспечивается особой конструкцией щели с размерами, подобранными под длину волны излучения.
Ошибкой будет считать, что клетка Фарадея обеспечивает полное блокирование радиосигнала или его подавление. Степень ослабления клеткой излучаемого или принимаемого, радио- или телевизионного сигнала зависит от формы электромагнитной волны, ее частоты и расстояния до приемника/передатчика. Также их чувствительности и излучаемой мощности. Клетка с ограждением из прочного стального листа обеспечивает лучшее подавление, чем выполненная из сетки.
Применение
Ниже приведен ряд примеров использования клетки и схожих устройств для защиты людей и оборудования.
Клетка Фарадея в виде сумки или чехла используется для предотвращения стирания и изменения с преступными намерениями цифровых данных на электронных носителях.
Из этих примеров видно, что предсказанное свыше 200 лет назад явление, широко популяризированное Майклом Фарадеем. Повсеместно используется в науке, технике, и даже взято на вооружение криминальным миром, при этом успело обрасти множеством мифов. Один из мифов, отраженный в фильме об информаторе Сноудене, заключается в том, что микроволновая печь полностью блокирует излучение мобильного телефона. Это не так, частота передачи данных стандарта мобильной связи GSM отличается от частоты магнетрона микроволновки, и щель между корпусом и дверкой становится прозрачной для сигнала сотовой связи. Т.е. микроволновая печь не является клеткой Фарадея в полном смысле этого понятия – в настоящей клетке никаких щелей быть не должно. По этой же причине не блокирует помещенный внутрь мобильный телефон камера холодильника.
Клетка Фарадея
Из Википедии — свободной энциклопедии
Кле́тка Фараде́я — устройство, изобретённое английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно представляет собой клетку, выполненную из хорошо токопроводящего материала.
Принцип работы клетки Фарадея очень простой — при попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля. В результате противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле.
Клетка Фарадея защищает только от электрического поля. Статическое магнитное поле будет проникать внутрь. Изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное, которое, в свою очередь, порождает изменяющееся электрическое. Поэтому если с помощью клетки Фарадея блокируется изменяющееся электрическое поле, то изменяющееся магнитное поле генерироваться также не будет.
Однако в области высоких частот действие такого экрана основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухании высокочастотной энергии в его толще вследствие тепловых потерь на вихревые токи.
Способность клетки Фарадея экранировать электромагнитное излучение определяется:
Для экранировки кабеля необходимо создать клетку Фарадея с хорошо проводящей поверхностью по всей длине экранируемых проводников. Для того чтобы клетка Фарадея эффективно работала, размер ячейки сетки должен быть значительно меньше длины волны излучения, защиту от которого требуется обеспечить.
Эффект клетки фарадея что это
Порошковая краска наносится на изделия посредством электрического поля. Это позволяет создавать на ровных поверхностях идеальное равномерное и качественное покрытие. Однако, как только предстоит наносить порошок на детали более сложной формы, с углами, то могут возникать различные дефекты в порошковой покраске. Один из самых частых — эффект клетки Фарадея. Что это и как избежать такого дефекта, чтобы покрытие было качественным, рассказываем далее.
Что такое клетка Фарадея
Дефект клетки Фарадея носит такое название в честь Майкла Фарадея. Это ученый, основатель учения про электромагнитное поле. Он проводил эксперименты со статическим электричеством.
На изделиях, которые имеют данный дефект, есть так называемая зона Фарадея. В нее входят углы и впадины, на которых порошковая краска не осаждается. Это происходит из-за того, что внутри этих зон сопротивление электрическим силам намного больше, чем на всей остальной поверхности. Поэтому порошок скапливается на их краях, а вот внутри его намного меньше.
А в самой зоне Фарадея могут образовываться вихри. Это также может стать причиной обратной ионизации.
Из-за эффекта клетки Фарадея в порошковой покраске одной из самых сложных задач является именно нанесение покрытия на впадины.
Как избежать эффекта Фарадея
Более длительное время распыления не поможет решить проблему. Даже когда на краях образуется толстый слой покрытия и порошок уже не может там осаждаться, частицы все равно не направляются в выемки. А происходит обратная ионизация.
Единственное, что может помочь порошку осадиться во впадинах, — это поле, которое создает пространственный заряд порошка, приносимый воздухом внутрь впадин.
Итак, как же покрасить угол порошковой краской? Во-первых, надо проверить заземление изделия, оборудования и маляра. Это, вообще, должно быть ежедневной задачей маляра. Частицы порошка притягиваются именно к заземленной поверхности.
Должен быть хороший заряд порошка.
Скорости потока воздуха должно быть достаточно для перенесения порошка внутрь углубления. Но она должна быть не очень большой, иначе станет помехой для осаждения частиц порошка.
Надо контролировать электростатическое поле, чтобы оно не “подталкивало” порошок к краям клетки Фарадея.
Следует снизить напряжение, попробовать уменьшить или увеличить расстояние от распылителя к изделию.
Благодаря изучению порошковых покрытий, дефектов и анализ возможных их причин, специалисты пришли к выводу, что в некоторых случаях для избежания эффекта Фарадея, надо использовать трибоэлектрическое оборудование. Оно не создает ионный ток и сильный электрический заряд. Благодаря этому порошок легко проникает в выемки и осаждается на углах. Покрытие получается качественным, равномерным, без дефектов.
Соблюдая наши советы, вы сможете избежать эффекта клетки Фарадея и без проблем наносить порошковое покрытие на изделия любой формы и конфигурации.