УДК 53.08
МАЙКЛ ФАРАДЕЙ. КЛЕТКА ФАРАДЕЯ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
№12,
Физико-математические науки
Быкова Ольга Юрьевна
Мухаметзянов Эльвир Венерович (Кандидат физико-математических наук)
Ключевые слова: ФАРАДЕЙ; КЛЕТКА; ЗАРЯД; ЭЛЕКТРОМЕТР; ОПЫТ; ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ; ПЕРЕДАЧА; СИСТЕМА; ЧАСТОТА; FARADAY; CELL; CHARGE; ELECTROMETER; EXPERIMENT; ELECTRIC POWER; TRANSMISSION; SYSTEM; FREQUENCY.
Майкл Фарадей (1791-1867) – английский физик-экспериментатор и химик, иностранный почётный член Петербургской академии наук. Скромные доходы семьи не дали Майклу окончить даже среднюю школу. С 13 лет начинает работать разносчиком газет, его отдают в переплетную мастерскую, которая находилась при книжной лавке. Майкл с интересом читал книги, особенно впечатляли его труды по химии и статьи тогда новой отрасли – электричество. Один из посетителей лавки обращает на молодого переплетчика внимание и дарит ему билет на лекции английского химика Г.Деви. Позже юноша заявляет, что хотел бы у него работать, но Г.Деви отказывал ему. Через несколько дней проводя химический опыт, ученый повредил глаз, и ему срочно понадобился ассистент. Так Фарадей становится ассистентом в знаменитом королевском институте. Он опубликовал более 40 статей. После того, как датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году открыл магнитное поле электрического тока Фарадей заинтересовался связью электрическими и магнитными полями. Спустя год он делает первое свое открытие, заставив магнит вращаться вокруг проводника с током. [1]
Размышляя о взаимодействии различных видов энергии, Майкл Фарадей поставил перед собой цель — превратить магнетизм в электричество. С этой целью он справился. В августе 1831 года ученый обнаружил явление электромагнитной индукции и создал первый в мире электрогенератор.
В 1848 году он открыл так называемый «Эффект Фарадея» это было первое указание на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Он писал, что намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию.
12 марта 1862 года описал последний лабораторный опыт под номером 16041. [2]
Клетка или «Щит Фарадея» — представляет собой замкнутое пространство, которое предотвращает прохождение электромагнитного поля.
Чаще всего это заземленная клетка, изготовленная из таких материалов, которые хорошо проводят ток. Названа она именем Майкла Фарадея, который изобрел ее в 1836 году.
Ученый выясняет, что на заряженном проводнике избыточный заряд локализуется только на его внешней стороне и предметы находящиеся изнутри никакому воздействию не подвергаются.
Чтобы представить полную картину об этом факте Фарадей оборудует комнату, которую покрывает пленкой из металла и с помощью электростатического генератора подает высоковольтный заряд на наружную сторону комнаты.
С помощью электроскопа доказывает, что на внутренней части стены комнаты нет зарядов электричества. Во внутренней части комнаты электроскоп показывал, что заряд отсутствует, в то время, когда электроскоп, который присоединен к внешней части показывал обратное.
Для полноты исследования, внутрь клетки помещались небольшие животные. Электростатический генератор подавал высоковольтные электрические разряды на клетку, но для животных не было никакого вреда, так как заряд стекал по поверхности клетки.
Клетка Фарадея действует по следующему принципу: наружное электрическое поле приводит распределение свободных электронов в материале, проводящем ток клетки, таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. Наружное поле компенсируется их полем, а поле с внутренней стороны отсутствует. [3]
Клетка Фарадея применяется не только в медицине, но и там где требуется безопасная работа человека и оборудования. Клетка Фарадея находит применение: в радиочастотных боксах, в кабинетах рентгена и магнитно-резонансной томографии, даже в микроволновках. Комната, где находится магнитно-резонансный томограф, излучающий магнитные поля, требует особой защиты поскольку:
1. Защищает пациентов и персонал клиники.
2. Предотвращает влияние электромагнитных помех на показания приборов.
3. Устраняет воздействие магнитного излучения на объекты, которые находятся в кабинете.
Таким образом, клетка Фарадея состоит из двух проволочных сеток на изолирующей подставке. Внутренняя сетка используются для измерения электрического заряда, наружная сетка экранизирует внутреннюю от влияния посторонних электрических полей.
Проведем опыт, для этого внешнюю сетку надо заземлить. Заряды будем измерять с помощью электрометра. Один его вывод подключим к внешней сетке, а другой к внутренней и выставим на электрометре нуль. Потрем деревянную линейку об ткань и преподнесем к наружной сетке. Показания электрометра не изменяются. Теперь внесем линейку внутрь клетки, электрометр показывает присутствие положительного заряда. Вынесем линейку, и показания электрометра возвращаются к нулю. Проделаем тот же опыт с линейкой из оргстекла. Теперь электрометр показывает присутствие отрицательного заряда. Внесем внутрь сетки первую линейку, показатели электрометра изменятся почти до нуля. Заряды линеек почти полностью компенсируют друг друга.
Когда мы прикасаемся металлической пластинкой к стенке клетки, отрицательные заряды перетекают на пластинку, так что она становится электрически нейтральной. Теперь сама клетка оказалась заряжена положительно и для перемещения пробного заряда с земли на клетку приходится совершать ту же самую работу. Поэтому показания электрометра остаются прежними.
Поскольку, заряд в нашем опыте полностью переносится с пластинки на сетку, повторяя это действие, мы можем увеличивать заряд сетки одинаковыми порциями. При этом показания электрометра тоже растут одинаковыми ступеньками.
Труды Фарадея ознаменовали наступление новой эры в физике, а он не брал патенты на свои изобретения. Отказался он и от дворянства, сказав при этом: «Благодарю. Но я хочу назваться просто: Майкл Фарадей».
Список литературы
- Абрамов Я.В. Майкл Фарадей: учебник, М.: РУДН, 1998. — 780 с.
- Азерников В.З. Майкл Фарадей. Открытие электромагнитной индукции и двух законов электролиза: Уч. для вузов, М.: Дрофа, 2000. —1120 с.
- Глухов А.Г. «Экспериментальные исследования» Майкла Фарадея: учебник, М.: Маяк 1975. — 456 с.