فيزياء أقفاص فاراداي

يعمل هذا أيضًا في الاتجاه الآخر: سيتم إلغاء الموجات الكهرومغناطيسية الواردة بواسطة الشحنات المتحركة في قفص فاراداي. لن يعرف هاتفك أنه يتلقى رسالة نصية أو مكالمة.

دعونا نركز لمدة دقيقة على سبب أهمية مواد القفص. يتكون قفص فاراداي من موصل كهربائي ومعادن مثل النحاس والألمنيوم والفولاذ. في المادة الموصلة، تكون الذرات قادرة على مشاركة أحد إلكتروناتها مع الذرات المجاورة. وهذا يعني أن الإلكترون حر في الغالب في الانتقال من ذرة إلى أخرى. هذا ليس هو الحال بالنسبة للعازل، مادة مثل الخشب أو البلاستيك أو الزجاج. بالنسبة للعازل، تكون هذه الإلكترونات عالقة مع ذراتها الأصلية ولا يمكنها التحرك.

ونظرًا لأن الموصلات يمكنها أن تسمح للشحنات بالتحرك، فمن الممكن أن تحدث بعض الأشياء الرائعة. أي أنه عندما يواجه مجال كهربائي مادة موصلة، فإنه سيحرك الشحنات بحيث يصبح صافي المجال الكهربائي صفرًا.

إليكم تجربة فكرية: تخيل أن لدي كرة مصنوعة من معدن موصل وأضفت بعض الإلكترونات الإضافية. (يمكن أن تأتي هذه الشحنات الإضافية من أي مكان، ولكن المثال الأكثر شيوعًا في الحياة الواقعية هو التفاعل الكهروستاتيكي، مثل ما يحدث عندما تفرك بالونًا على شعرك: تنتقل الإلكترونات من شعرك إلى البالون. وهذا التفاعل هو أيضًا ما يعطي تصاب بصدمة عندما تخرج جواربك من المجفف، وما الذي يجعل شعرك يلتصق في الشتاء، وما الذي يجعل قناع N95 فعالاً، وما الذي يجعل برطمان ليدن يتوهج.)

لنفترض أنني أضفت 100 إلكترون إلى الكرة الخاصة بي عن طريق لمسها ببعض الجوارب المشحونة كهربائيًا مباشرة من المجفف. تخلق هذه الإلكترونات مجالات كهربائية تدفع الإلكترونات الأخرى. ونتيجة لذلك، يتم دفعهم جميعًا بعيدًا وينتهي بهم الأمر على سطح الكرة. (لا يمكنهم القفز من الكرة فحسب). وإليك ما سيبدو عليه الأمر:

ولكن هنا هو الجزء المهم للغاية: الآن يتم ترتيب هذه الإلكترونات على سطح الكرة بحيث يكون المجال الكهربائي الإجمالي عند أي نقطة داخل الكرة صفرًا. (هو – هي لديه ليكون صفراً. إذا لم يكن المجال صفراً، فإنه سيدفع الإلكترونات الحرة وأي شحنة يمكن أن تتحرك كان التحرك نحو سطح الكرة.) مع وجود مجال كهربائي صفر، لم يعد بإمكانك الحصول على موجة كهرومغناطيسية. الكرة الآن هي قفص فاراداي.

ماذا عن المجال المغناطيسي، هل تم إلغاؤه أيضًا؟ ليس بنفس طريقة المجال الكهربائي. المشكلة هي أنه لا يوجد شيء اسمه شحنة مغناطيسية. هذا يعني أنه لا يمكنك الحصول على فصل للشحنات المغناطيسية لإلغاء المجال المغناطيسي داخل الموصل. لكن لا تقلق، تذكر أن الموجة الكهرومغناطيسية تحتاج إلى مجال كهربائي متغير و المجال المغناطيسي المتغير. إذا قمت بإلغاء المجال الكهربائي، فلن يكون لديك موجة كهرومغناطيسية.

أقفاص فاراداي الحقيقية

لا يجب أن يكون قفص فاراداي كرةً. يمكن أن يكون إلى حد كبير أي شكل مع جزء داخلي مجوف. (نظرًا لأن الشحنات تنتهي على سطح الشكل، فلا يهم إذا كان مجوفًا). ولكن من الناحية العملية، لا يمكنك فقط تغطية هاتفك بـ أي الموصل الكهربائي ونتوقع منه أن يكون بمثابة قفص فاراداي. هناك عاملان مهمان أيضًا: سمك المادة وصلابتها. لنبدأ بالسمك.

أحد معايير قفص فاراداي هو “عمق الجلد”. هذه طريقة لحساب الحد الأدنى لسمك المادة بحيث يمكنها إلغاء الموجات الكهرومغناطيسية بشكل فعال. ويعتمد عمق الجلد على مقاومة المادة (مدى صعوبة حركة الإلكترونات)، وتردد الموجة الكهرومغناطيسية، وكذلك الخواص المغناطيسية للمادة. هذا يعني أنه بالنسبة للأطوال الموجية الأطول (مثل موجات الراديو) ستحتاج إلى مادة أكثر سمكًا في قفصك.