Сержио Рарра Кастильо - Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений. Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу. Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.

В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества. Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп — инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела. Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка — из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные — электроны — свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.

В 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству » (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение термину заряд — состояние напряженности, поддерживаемое материей. Кроме того, ученый высказывает мысль о том, что существуют тела, проводящие электричество, а также тела, с той же эффективностью не проводящие его.

Первый класс тел был назван проводниками, второй, по совету коллеги Уэвелла, получил название диэлектриков . Другими словами, по отношению к своему поведению под воздействием электрического поля материальные тела классифицируются на проводники и диэлектрики, при этом не существует постоянной градации, которая исключала бы отнесение тела к одной из категорий, то есть тело может классифицироваться как проводник или диэлектрик в зависимости от ситуации.

Важно различать изоляторы и диэлектрики. Все тела-диэлектрики являются изоляторами, поскольку плохо проводят электричество, но не все изоляторы являются диэлектриками. Чтобы стать диэлектриком, материал при воздействии электрического поля должен быть способен сохранять внутреннее электрическое поле. Диэлектрик может превратиться в проводник, если мы настолько увеличим внешнее поле, что оно превзойдет максимальное напряжение диэлектрика, называемое электрической прочностью.

Фарадей начал измерять диэлектрические константы разных изоляторов и назвал отношение между зарядом и напряжением диэлектриков специфической индуктивной способностью.

Чем больше величина диэлектрического коэффициента, или диэлектрической константы, обозначаемой как К, тем выше уровень электропроводимости материала. Например, константа воздуха — 1,00054, вакуума — 1,0. Другие значения К для разных материалов следующие.

— Стекло: 5–10.

— Нейлон: 3,5.

— Полиэтилен: 2,3.

— Хлорид натрия: 6,1.

— Дерево: 2,5–8,0.

— Этиловый спирт (0ºC): 28,4.

— Дистиллированная вода (20ºC): 80,1.

Если электрическое поле диэлектрика становится очень интенсивным, электроны покидают молекулы и материал превращается в проводник. Максимальное электрическое поле, которое диэлектрик может выдержать до момента разрушения, называется электрической прочностью.

Вот некоторые примеры диэлектрических материалов: стекло, резина, воск, бумага, сухое дерево или фарфор.

Работы по статическому электричеству и изолирующему эффекту клетки Фарадея были подтверждены в эксперименте 1843 года с использованием кюветы со льдом.

В полую металлическую кювету (см. схему) с отверстием сверху клали лабораторный лед. К стенке кюветы подключали электроскоп. Далее Фарадей опускал в кювету металлическую заряженную сферу. В этот момент электроскоп регистрировал заряд внутри кюветы, противоположный заряду сферы. Снаружи кюветы заряд был такой же, как у сферы. Пока сфера находилась внутри кюветы, электроскоп показывал тот же заряд; когда сферу вынимали, электроскоп не показывал никакого заряда. Таким образом, внутренние стенки сосуда приобретали заряд, противоположный заряду сферы, а внешние — такой по знаку заряд, как у сферы. Этот эксперимент Фарадея подтвердил, что «индуцированные заряды всегда будут иметь одну величину, но будут разные по знаку между собой и зарядом индуктора».

Эксперимент с кюветой также подтверждал принципы электростатического экранирования, наблюдаемые в клетке Фарадея и применяемые сегодня для защиты оборудования от электрических разрядов.

Фарадей реализовал первый эксперимент, количественно подтверждающий сохранение электростатического заряда: общее количество положительных электрических зарядов на предмете равно количеству отрицательных, то есть общее количество электрического заряда в любом случае будет постоянным. Так, например, если изначально заряд кюветы был + 15 при опускании заряженной сферы +3, на внутренней поверхности кюветы обнаруживался заряд -3, а на внешней поверхности — +18. Общий заряд кюветы не изменился, так как 18 + (-3) — 15.