Наименование органа Администрация Таймырского Долгано-Ненецкого Управления образования муниципального района Управления образования

Наименование органа
Управления образования
Администрация Таймырского Долгано-Ненецкого
муниципального района Управления образования
Наименование образовательного Таймырское муниципальное казённое
учреждения
общеобразовательное учреждение «Дудинская
средняя школа № 7»
Наименование конференции
Муниципальная научно-практическая конференция
исследовательских и проектных работ «Золотое
перо»
Вид работы
Исследовательская работа
Наименование направления
(секция)
Наименование темы работы
Физико-математическое направление
Ф.И.О автора
Мастюгин Дмитрий Сергеевич, 28.05.2000 г.р.
Домашний адрес
г. Дудинка, ул. Дудинская, д.13, кв.328
Место учёбы
ТМК ОУ «Дудинская школа № 7»
Класс
9 «Б»
Научный руководитель
Прохоров Денис Викторович
Контактный телефон
8-913-502-24-66
«Клетка Фарадея»
-1-
Аннотация
В данной работе мной рассматривается одна из проблем защиты от
электромагнитного излучения как человека, так и оборудования различного
назначения. Проводя анализ технической литературы, я обратил свое
внимание еще и на модель клетки Фарадея. И задался вопросом о
возможности создания такой клетки в масштабе малом и большом.
Сформулировал гипотезу: реально ли подготовить аудиторию для сдачи
экзаменов таким образом, чтобы не было возможности воспользоваться на
экзамене интернетом, если все же удалось пронести средства связи в кабинет.
Определил цель работы: выполнить технический расчет материалов, который
необходим для оборудования аудитории.
Поставил задачи:
1) Раскрыть сущность понятия электромагнитного излучения;
2) Изучить принцип работы клетки Фарадея;
3) Изготовить модель клетки Фарадея;
4) Применить полученные знания в проектировании.
В результате изучил принцип действия клетки Фарадея. В основу работы
прибора положена способность электронов в замкнутой электропроводящей
оболочке при попадании в электрическое поле приобретать заряд.
Изготовил модель клетки Фарадея. Это коробка непроводящая и
алюминиевая поверхность. Выяснил, что устройство задерживает
электромагнитное излучение.
Произвел расчет и стоимость материала для класса, в котором будет
проходить экзамен. Потребовались такие основные материалы как
гипсокартон и пенофол. Финансовые затраты: 21770 рублей.
-2-
Оглавление
Введение …………………………………………………………………..
3
Теоретическая часть ………………………………………………………
4
Глава I. Электромагнитное излучение …………………………………..
4
1. Физическая сущность электромагнитного излучения. Виды ……
4
2. Электромагнитное излучение сотовых телефонов ………………
5
3. Открытие Майкла Фарадея ……………………………………….
6
Глава II. Практическая часть …………………………………………….
9
1. Изготовление клетки Фарадея ……………………………………
9
2. Теоретический расчет поглощающего материала для аудитории
11
Заключение ……………………………………………………………….
12
Список литературы ………………………………………………………
13
Приложения ……………………………………………………………..
14
-3-
Введение
Иногда я замечал, что в некоторых помещениях начинает ослабевать
сотовая связь, а то и полностью исчезает. Заинтересовавшись этим вопросом,
я начал изучать причины этого феномена. Оказывается, что так называемая
клетка Фарадея вызывает такой эффект.
Гипотеза: реально ли подготовить аудиторию для сдачи экзаменов таким
образом, чтобы не было возможности воспользоваться
на экзамене
интернетом, если все же удалось пронести средства связи в кабинет.
Цель работы: выполнить технический расчет материалов, который
необходим для оборудования аудитории.
Задачи работы:
1) Раскрыть сущность понятия электромагнитного излучения;
2) Изучить принцип работы клетки Фарадея;
3) Изготовить модель клетки Фарадея;
4) Применить полученные знания в проектировании.
Объект исследования – электромагнитное излучение.
Предмет исследование –
электромагнитное излучение.
способность
Приёмы и методы исследования:
1) Изучение технической литературы;
2) Изучение источников в сети интернет;
3) Изготовление клетки Фарадея;
4) Расчёт расходного материала.
-4-
материалов
задерживать
Теоретическая часть
Глава I. Электромагнитное излучение
1. Физическая сущность электромагнитного излучения. Виды
На человека в процессе жизнедеятельности действуют естественные
магнитные поля (магнитное поле Земли, радиоизлучение солнца,
атмосферное электричество), а также искусственные электромагнитные поля.
Если естественное электромагнитное поле остаётся практически постоянным
на протяжении тысячелетий, то уровень искусственных электромагнитных
полей сильно вырос за последние десятилетия.
Источниками искусственных электромагнитных полей являются:
электромагнитные поля низкочастотного диапазона, которые используются в
промышленном производстве высокочастотные поля (радиосвязь, ТВ,
радиовещание); электромагнитные поля СВЧ-диапазона (радиолокация,
навигация, медицина, сотовая связь).
Виды электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение принято делить по частотным
диапазонам. Между диапазонами нет резких переходов, они иногда
перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость
распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко
связана с длиной волны в вакууме.
Радиоволны - электромагнитное излучение с длинами волн 5×10-5 —
1010 метров и частотами, соответственно, от 6 × 1012Гц и до нескольких.
Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях. Радиоволны
возникают при протекании по проводникам переменного тока
соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве
электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей
переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при
конструировании антенн. Естественным источником волн этого диапазона
являются грозы.
Оптическую область спектра составляет видимое, инфракрасное и
ультрафиолетовое излучение. Выделение такой области обусловлено не
только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством
приборов, применяющихся для её исследования и разработанных
исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала
для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки,
интерференционные приборы для исследования спектрального состава
излучения и пр.).
-5-
Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с
собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными
размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой
области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим
строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются
и квантовые свойства света.
Самым известным источником оптического излучения является
Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов
и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного
излучения расположен в "зелёной" области 550 нм, где находится и
максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле
такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения
непосредственно воспринимается нашими органами чувств.
Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при
нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за
теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше
частота, на которой находится максимум спектра его излучения . При
определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне
(каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот,
излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие .
Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в
химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических
реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в
фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле
является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях
под действием оптического излучения Солнца
2. Электромагнитное излучение сотовых телефонов
Сотовая радиотелефония является сегодня одной из наиболее
интенсивно развивающихся телекоммуникационных систем. Основными
элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и
мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают
радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ
являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ диапазоне.
Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является весьма
эффективное
использование
выделяемого
для
работы
системы
радиочастотного спектра, что делает возможным обеспечение телефонной
связью значительного числа абонентов. В работе системы применяется
принцип деления некоторой территории на зоны, или "соты", радиусом
обычно 0,5–10 километров.
-6-
Базовые станции поддерживают связь с находящимися в их зоне
действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и
передачи сигнала. В зависимости от стандарта, БС излучают
электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц. Антенны
БС устанавливаются на высоте 15–100 метров от поверхности земли на уже
существующих постройках или на специально сооруженных мачтах.
Исходя из технологических требований построения системы сотовой
связи, диаграмма направленности антенн в вертикальной плоскости
рассчитана таким образом, что основная энергия излучения (более 90 %)
сосредоточена в довольно узком "луче". Он всегда направлен в сторону от
сооружений, на которых находятся антенны БС, и выше прилегающих
построек, что является необходимым условием для нормального
функционирования системы.
Мобильный радиотелефон (МРТ) представляет собой малогабаритный
приемопередатчик. В зависимости от стандарта телефона, передача ведется в
диапазоне частот 453 – 1785 МГц. Мощность излучения МРТ является
величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния
канала связи "мобильный радиотелефон – базовая станция", т. е. чем выше
уровень сигнала БС в месте приема, тем меньше мощность излучения МРТ.
Максимальная мощность находится в границах 0,125–1 Вт, однако в
реальной обстановке она обычно не превышает 0,05 – 0,2 Вт.
3. Открытие Майкла Фарадея
К 1854 году относится такое высказывание Фарадея: "Я уверен, что
истину об этой жизни не получить даже самым беспримерным проявлением
человеческой мудрости. Она открывается не посредством собственного
разума, а благодаря элементарной вере в данное нам свидетельство". Судя по
тому, насколько совершенными и удивительными в своей простоте были его
опыты, можно сказать, что Фарадей служил науке в прямом смысле верой и
правдой.
Майкл Фарадей был знаменит при жизни и на многие десятилетия
вперед предугадал развитие научной мысли. Он был настолько
противоречивой фигурой, что ученики и последователи считали его
гениальные открытия следствием недостаточного образования и не доверяли
точности проведенных им экспериментом из-за "странностей" характера
ученого. Возможно, в этом есть доля истины: идя в науке своим особым
путем, в полном противоречии с господствующим научным мировоззрением,
Фарадей нередко находил закономерности и видел взаимные соотношения
там, где никто до него их не признавал и не мог видеть...
Майкл Фарадей подарил миру такие гениальные изобретения, как
электромагнитная индукция, лежащая в основе производства электроэнергии,
-7-
электродвигатель, трансформатор и многие другие устройства, которыми мы
пользуемся до сих пор.
Расскажу об устройстве, которое он изобрел в середине 19 века. Это
так называемая клетка Фарадея.
В основу работы прибора положена способность электронов в
замкнутой электропроводящей оболочке при попадании в электрическое
поле приобретать заряд, который компенсирует воздействие внешних полей.
Таким образом, стенки клетки защищают пространство внутри от
воздействия внешнего электромагнитного излучения.
Такая клетка Фарадея может защитить даже человека от
электрического разряда. Но и в обратном порядке, излучение, образуемое
внутри клетки Фарадея, не выйдет наружу, если сделать ее проводящим
слоем внутрь. Поэтому мы, например, защищены от воздействия излучения
микроволновой печи, когда находимся рядом с ней во время ее работы.
Почему это устройство назвали клеткой?
Потому что первые опыты Фарадей проводил именно с металлической
клеткой. Да и сегодня промышленные образцы сделаны и выглядят как
металлическая клетка, сделанная из хорошо проводящих электричество
материалов. Эффективность и мощность ее зависят от толщины материала,
из которого она сделана, и соотношения размера проема к длине волны
воздействующего внешнего поля.
Клетка Фарадея - принцип работы
Все гениальное просто! Вот и сам принцип работы этого устройства
очень прост – когда клетка Фарадея попадает под воздействие
электрического поля, свободные электроны внутри материала, из которого
она сделана, начинают двигаться, собираясь вместе определенным образом.
В результате этого противоположные стенки клетки получают заряды
разноименные, создающие новое поле, имеющее противоположное
направление к внешнему. Это новое поле компенсирует воздействие
внешнего электромагнитного поля, а значит, внутри клетки электрические
шумы или электрическое поле отсутствуют.
Этот метод отражения или экранирования работает только при
воздействии электрических полей и переменно магнитных, которые ими же и
порождаются. Защитить от статического магнитного поля это
приспособление не сможет.
-8-
Для чего она нужна?
В основном ее используют в промышленности, чтобы защитить
аппаратуру от воздействия нежелательного электромагнитного излучения.
Например, при установке медицинских томографов. Очень часто используют
в лабораториях, где нужно проводить высокоточные измерения и снизить
воздействие электромагнитных шумов. При промышленном использовании
обычно привлекают специалистов, которые смогут правильно рассчитать все
параметры клетки.
В быту свойства этого изобретения чаще всего советуют использовать
для защиты всевозможных электронных устройств (мобильные телефоны,
планшеты и т. д.) от повреждения электромагнитным излучением или
импульсом (волной). Эта волна может быть вызвана ядерным взрывом или
каким-то природным явлением, например, вспышками на солнце.
Некоторые из них даже строят себе дома, которые являются «клетками
Фарадея», чтобы полностью защититься от возможного влияния
электромагнитных излучений. Пример такого дома вы видите на картинке
выше. В жилище его хозяин сможет точно пережить любой катаклизм.
Особенно популярна эта тема среди людей, которые боятся всякого рода
излучений и их влияния на здоровье, а также среди верящих во всемирную
катастрофу и готовящихся к выживанию после нее.
-9-
Глава II. Практическая часть
1. Изготовление клетки Фарадея
Наиболее простым вариантом изготовления клетки Фарадея своими
руками может стать любой предмет с герметичным корпусом,
электропроводящим наружным слоем и не проводящим электричество слоем
внутри.
Таким предметом может стать буквально любой предмет домашнего
обихода, который можно закрыть. Форма может быть самая разная: коробка,
цилиндр, сфера – в общем-то, что угодно. Внутреннюю часть нужно сделать
из любого материала, который не проводит электричество: картон, бумага,
дерево, пластик и т. д. Поэтому проще всего взять уже готовый
металлический предмет и вставить внутрь непроводящий электричество слой
или, наоборот, взять предмет из не проводящего электричества слоя и
обернуть его внешние части проводящим слоем (например, фольгой). Даже
если вы просто обернете свой прибор в фольгу – это уже будет простейшая
клетка Фарадея, своими руками сделанная.
Обратите внимание! Наибольшей эффективностью обладают
самодельные клетки, сделанные из деревянно-каркасных конструкций с
использованием сеток из меди или алюминия. Если вы решили произвести
монтаж клетки Фарадея из уже готового металлического предмета, то
удостоверьтесь, что крышка и ящик имеют хороший контакт, который
обеспечивает надежную защиту от проникновения излучения внутрь. А
также, что предмет сделан из гальванизированного метала.
Из обычного мусорного металлического бака, металлического ящика
или неэмалированного ведра с крышкой тоже можно сделать клетку Фарадея,
просто выложив внутреннюю поверхность картоном.
Вот такой старый ящик для инструментов может стать прекрасной
основой для данного прибора.
Может ли клетка иметь отверстия?
Если эти отверстия относительно небольшие по отношению к длине
волны, тогда да, она может иметь отверстия. Например, для волны в 1 ГГц
длина волны составляет 0,3 м в свободном пространстве, поэтому если в
клетке отверстия меньше этого значения, все в порядке! Поэтому так часто
строят клетки из сетки.
Что делать с дверью?
- 10 -
Если вы собираетесь построить большую клетку с дверью или зазорами
между крышкой и основанием, тогда возможно небольшое проникновение
электромагнитного излучения внутрь клетки. Поэтому лучше всего для
такого рода конструкций использовать на швах ленту или материал, который
проводит электричество и при этом закрывает шов.
Что можно использовать из подручных средств?
Разрешается использовать все, что видите в своем доме, если это сделано
из проводящих материалов. Примеров можно привести много:





металлические мусорные баки;
ведра;
ящики;
коробки;
корпуса микроволновок и т. д.
Нужно ли заземлять конструкцию?
До сих пор не единого мнения по поводу того, нужно ли заземлять
клетку Фарадея или нет.
Но это зависит от многих факторов - размеров, где и для чего она будет
использоваться и т. д. Но общие правила таковы: заземлять не нужно
маленькие конструкции, а вот для больших это сделать необходимо.
В большой клетке может возникнуть электромагнитное излучение,
которое может навредить человеку, если он случайно коснется работающего
прибора. Тогда как в маленького размера клетке излучение небольшое.
Поэтому перед тем как продумывать конструкцию, внимательно
изучите рекомендации по заземлению.
Как проверить работу клетки Фарадея?
Можно положить внутрь работающий радиоприемник с включенным
каким-то сильным FM-каналом. Если после того как закроете клетку вы все
еще слышите работу радиоприемника, значит, она недостаточно плотно
закрыта.
Или можно положить внутрь мобильный телефон и попробовать
позвонить на него. Если телефон будет вне зоны приема, значит, клетка
работает хорошо.
Итак, вы знаете теперь, что такое, для чего нужна и как сделать клетку
Фарадея своими руками. Покупая готовую клетку или решая сделать ее
- 11 -
самостоятельно, убедитесь, что размер соответствует ваши нуждам, и вы
сможете поместить в нее все, что хотели. Нужна ли она для проведения
научных экспериментов или для защиты электроники от воздействия
электромагнитного излучения, не столь важно. Вы всегда можете легко
сделать вашу собственную клетку Фарадея из подручных средств.
2. Теоретический расчет поглощающего материала для аудитории
Выбираю коробку и проводящий материал для будущей простой
модели клетки Фарадея.
1. Коробка из диэлектрика (полипропилена) от видеокассеты VHS.
2. Рулон пищевой проводящей алюминиевой фольги.
Совершаю технологическую
Произвожу испытания клетки.
сборку модели
с помощью
клея.
А. Сначала совершаю дозвон на телефон, который в закрытой коробке. Тот
оказывается вне зоны действия сети.
Б. Затем пытаюсь совершить дозвон с телефона, который в закрытой коробке.
Внешний телефон никак не реагирует.
Расчет расходного материала для кабинета физики:
1. Длина – 6 м; ширина – 5 м; высота – 3 м; общая площадь – 126 м2
(потолок, пол, четыре стены);
2. Пенофол: 4 рулона (30 м·1,2 м·4 мм) – 8120 рублей;
3. Гипсокартон – 25 листов (1,2 м·3,0м) - 8850 рублей (без учета пола и
стеклопакетов);
4. Ленолеум 30 м2 - 4800 рублей;
5. Обои или фотообои;
6. Саморезы для гипсокартона;
7. Шпатлевка и грунтовка для стен и арматурная лента.
Общая цена 21770 рублей.
- 12 -
Заключение
- Изучил принцип действия клетки Фарадея. В основу работы прибора
положена способность электронов в замкнутой электропроводящей
оболочке при попадании в электрическое поле приобретать заряд;
- Изготовил модель клетки Фарадея. Это коробка непроводящая и
алюминиевая поверхность. Выяснил, что устройство задерживает
электромагнитное излучение;
- Произвел расчет и стоимость материала для класса, в котором будет
проходить экзамен. Потребовались такие основные материалы как
гипсокартон и пенофол. Финансовые затраты: 21770 рублей.
- 13 -
Список литературы
1. https://ru/look/2167850-p11.html
2. www.dnews.ru/66640?full
3. https://pfdinck.red.html
4. Кудрявцев П. С. Фарадей. – М., 1969.
5. Радовский М. И. Михаил Фарадей. Библиографический очерк. – М.,
1946.
6. Радовский М. И. Фарадей. – М., 1936.
7. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. Пер с
англ. Е.А. Чернышевой и Я.Р. Шмидт – Чернышевой. – АН СССР.
1947.
- 14 -
Приложения
1. Изготовление клетки Фарадея
- 15 -
2. Испытание клетки Фарадея
- 16 -