電気は私たちの世界のさまざまな側面の生命線です。ボルトとアンプがなければ、私たちの技術革新の多くは存在しなくなるでしょう。私たちの体でさえ、細胞内を電荷が駆け抜けなければ機能しません。しかし、電気が与えるものは、電気が奪うこともあります。
この形式のエネルギーは私たちの生活の多くに不可欠ですが、適切な量でのみ効果があるものの 1 つです。電気が多すぎると人が感電する可能性があります。同様に、現代の電子機器や機械を破壊する可能性があります。
しかし、19 世紀の天才科学者マイケル ファラデーと、彼の同名発明の 1 つであるファラデーケージのおかげで、私たち人類は電気を制御し、コンピューター、自動車、その他の発明品、そして私たちにとって電気をより安全にする方法をたくさん開発してきました。 、 あまりにも。
電磁放射によるファラデーケージ。基本的に、電磁場が電気を伝導できるものに当たると、電荷は導体の内部に移動せず、導体の外側に残ります。ファラデーケージは、多くの場合、明らかにケージのように見えます。金網フェンスやアイスペールのような単純なものもあります。他には細かい金属メッシュが使用されています。
電磁放射線は私たちの周囲にあふれています。可視光や紫外線、食べ物を調理する電子レンジ、さらにはラジオから音楽を流す FM や AM の電波にも含まれています。しかし、場合によっては、この放射線は望ましくないものであり、まったく破壊的なものになります。そこでファラデーケージが登場します。
ファラデーケージはその電荷または放射線をケージの外側に分散させるため、ケージの内部の電荷または放射線を打ち消します。簡単に言うと、ファラデーケージは中空の導体であり、電荷はケージの外表面に残ります。
この基本的な機能は、電気的に乱雑でテクノロジーが満載の世界において、魅力的な用途がたくさんあります。そして、ファラデーは最終的にはその時代を迎えることになりますが、彼の発明の背景には実際にはもっと古い時代にルーツがあります。では、この非常に便利なケージのアイデアはどこから来たのでしょうか?
ベンジャミン・フランクリンとマイケル・ファラデー
ファラデーケージはマイケル・ファラデーにちなんで名付けられましたが、ファラデーケージの背後にある多くのアイデアにインスピレーションを与えたのはベンジャミン・フランクリンでした。もちろん、フランクリンは、その輝かしいキャリアの一部を、雷を引き寄せるために雷雨の中で凧揚げに費やしており、そのため、電気の気まぐれさと概念についてはすでにある程度知っていました。
1755 年、フランクリンは新しい方法で電気をいじり始めました。彼は銀のパイント缶に電気を流し、非導電性の絹糸に取り付けた非帯電のコルク球をコルクが缶の底に触れるまでその中に下げた。 「コルクは缶の外側とは異なり、缶の内側には引き寄せられず、底に触れたものの、引き抜いても、その接触によって電気が発生することは見られませんでした」外側に触れることによって、事実は特異である」とフランクリンは書いた。
彼は電気と帯電した物体と帯電していない物体の相互作用に当惑しており、同様に認めた、「あなたはその理由を必要としていますが、私にはそれが分かりません。おそらくあなたはそれを発見するかもしれません、そうすればあなたはそれを私に伝えることができるほど上手になるでしょう」 。」
数十年後、マイケル・ファラデーという名前の英国の物理学者兼化学者は、別の適切な観察を行いました。つまり、彼は、導電体（金属ケージなど）が帯電すると、その表面にのみその電荷が現れることに気づきました。導体の内部には影響はありませんでした。
ファラデーは、静電発生器を使用して箔を帯電させ、この観察を再確認しました。彼は部屋の中に検電器(電荷を検出する装置) を設置しました。そして、彼の予想通り、その検電器は部屋内に電荷がないことを示しました。電荷はホイルの表面に沿って移動するだけで、部屋にはまったく浸透しませんでした。
ファラデーは、この現象をさらに調査しました。このテストでは、彼は基本的にフランクリンのアイデアを再現し、帯電した真鍮のボールを金属カップに落としました。予想通り、彼の結果はフランクリンと同じでした。
この概念にはあらゆる種類の素晴らしい応用例がありますが、ここでは飛行機に乗ったことがある人なら誰でも当てはまるものを紹介します。突然雷に打たれた飛行機に乗っているところを想像してみてください。これは珍しいことではなく、定期的に発生しますが、飛行機と乗客には影響がありません。それはアルミニウムだからです。雷からの電荷は飛行機の表面を無害に通過し、内部の機器や人に損傷を与えることはありません。
本当に、ショックなことではありません。それはまさに科学です。では、この賢いケージの設計は実際にどのように機能するのでしょうか?
ファラデーケージは何をするのですか?
ファラデーケージがどのように機能するかを理解するには、導体中で電気がどのように動作するかについての基本的な理解が必要です。プロセスは単純です。アルミニウム メッシュなどの金属物体は導体であり、その中を動き回る電子(負に帯電した粒子) を持っています。電荷が存在しない場合、導体にはほぼ同数の正負の粒子が混在します。
電荷を帯びた外部の物体が導体に近づくと、プラスの粒子とマイナスの粒子が分離します。外部電荷とは反対の電荷を持つ電子は、その外部の物体に引き寄せられます。外部の物体と同じ電荷を持つ電子は反発し、その物体から遠ざかります。この電荷の再分配は と呼ばれます。
外部の帯電物体が存在すると、正と負の粒子が導体の反対側に巻きつきます。その結果、金属導体の内部の外部物体の電荷の場を打ち消す反対の電場が生じます。すると、アルミメッシュの内側はゼロになります。
そして、ここが本当のキッカーです。導体の内部には電荷がありませんが、反対の電場は重要な効果を持っています。外部の静電荷や、電波やマイクロ波などの電磁放射から内部を保護します。ファラデーケージの真価はそこにあります。
このシールドの有効性はさまざまです。銅やアルミニウムなどのさまざまな金属の導電率の変化は、ケージの機能に影響を与えます。スクリーンまたはメッシュの穴のサイズもケージの機能を変化させ、ケージの内部から排除したい電磁放射の周波数と波長に応じて調整できます。
ファラデーケージは別の名前で呼ばれることもあります。これらは、ファラデー シールド、 RF (高周波)ケージ、またはEMF (起電力)ケージと呼ばれることがあります。
ファラデーケージは、何と呼ばれても、科学研究室の実験や製品開発で最もよく使用されます。
ファラデーが最初の檻を作ったとき、おそらく彼の脳には窃盗という考えはなかったでしょう。しかし、小売店で高価な商品に貼られている盗難防止用の RFID タグを妨害する を警察が捕まえることがよくあります。
ファラデーケージの現代的な用途
人々はファラデーケージをさまざまな目的に使用します。時には難解な研究環境で、また時には一般的な製品で使用されます。たとえば、基本的にはファラデーケージとして機能します。近くに落雷があった場合にあなたを守るのは、ゴムタイヤではなくこの効果です。
多くの建物は、たとえ偶然であっても、ファラデーケージとして機能します。漆喰やコンクリートの壁には金属鉄筋や金網が散りばめられており、無線インターネット ネットワークや携帯電話の信号に大混乱を引き起こすことがよくあります。
しかし、シールド効果は人類に恩恵をもたらすことが最も多いのです。電子レンジはその効果を逆転させ、食べ物を素早く調理します。スクリーン付き TV ケーブルは、干渉を軽減することで鮮明でクリアな画像を維持します。
電力会社のラインマンは、ファラデーケージの概念を活用したものを着用することがよくあります。これらのスーツの中で、ラインマンは感電死の危険を大幅に減らしながら高圧送電線で作業することができます。
政府は、重要な通信機器の周囲にファラデーケージを構築することで、落雷やその他の電磁干渉から重要な通信機器を保護できます。大学や企業の科学研究室では、最先端のファラデーケージを使用して外部の電荷や電磁放射を完全に排除し、あらゆる種類の実験や製品開発のための完全に中立なテスト環境を作り出しています。
ファラデーケージを自作するのに何百万ドルも費やす必要も、物理学の学位も必要ありません。インターネット上では、ホイルやラップなどの一般的な家庭用品を使って簡単なケージを作ることができます。
最先端のケージ
病院のそばを通ると、 MRI (磁気共鳴走査)室の形をしたファラデー ケージを見つけることができます。 MRI スキャンは、強力な磁場を利用して人体の医学的に有用なスキャンを作成します。 MRI 室は、漂遊電磁場が患者の診断画像に影響を与えるのを防ぐためにシールドする必要があります。
ファラデーケージには政治的および軍事的用途もたくさんあります。政治家は、機密事項についてのみ議論することを選択できます。現代の軍隊はすべて、通信や兵器システムに電子機器を使用していますが、落とし穴があります。これらのシステムは、太陽嵐や人為的な EMP 攻撃の結果として発生する可能性がある、攻撃的なEMP (電磁パルス) に対して脆弱です。 , 軍は時々、遮蔽されたバンカーや車両を使用します。
ファラデーケージがサバイバリストのサブカルチャーで好まれているのも同じ理由です。自給自足を説き、人為的災害や自然災害に直面した政府の対応への不信感を説くこれらの人々は、すべての重要な電子機器を自家製のファラデーケージで保護することを信じている。 終末的な大災害が発生した場合でも、短波ラジオやその他の命を救う可能性のあるハイテクツールが彼らにはまだあります。
たとえ終末のシナリオに特に関心がなかったとしても、ファラデーケージはおそらく毎日の生活の中で何らかの役割を果たしているでしょう。これらのケージは物理学の基本原理を利用しており、地球上の人々がその原理を安全、贅沢、利便性のために活用し、さらにエキサイティングな技術の進歩を支援するのに役立ちます。
