Экран. Что вы представляете, услышав это слово? У человека, живущего в XXI веке, наверняка в голове возникает что-то вроде экрана телевизора или компьютера. Однако, что это с точки зрения физики?
Это всего лишь поверхность, на которую проецируется какое-либо изображение. В то же время, если мы заглянем в этимологию слова «экран», то натолкнёмся на явное противоречие между тем, что предполагается и тем, что есть. Слово это заимствовано с французского языка, где, первоначально, «é cran» переводилось как «ширма», «завеса», «щиток». Это, как можно видеть, существенно разнится с нашим, обывательским представлением о данном приспособлении, ведь телеэкран вовсе ни от чего нас не отгораживает, а наоборот, приближает. Подобные лингвистические путаницы весьма забавны и заслуживают отдельной крупной статьи, но здесь речь пойдёт об одном из примеров экрана, в первозданном смысле этого слова.
Ещё со школьной скамьи нам известно, что межатомные связи в металлах значительно отличаются от связей в остальных типах веществ. В узлах кристаллической решётки металла находятся положительно заряженные ионы, между которыми хаотично движутся валентные электроны. Это беспорядочное движение компенсирует кулоновское отталкивание (кулоновское отталкивание — это отталкивание одноимённо заряженных частиц согласно закону Кулона) узлов решётки. Данное явление и обеспечивает такие свойства металлов, как высокая электро- и теплопроводность.
Также, делокализация (делокализация здесь означает, что носители заряда свободны, то есть могут свободно передвигаться по всему материалу под действием разности потенциалов) электронной плотности обуславливает направленное движение электронов при попадании металлического тела в электромагнитное поле. Именно по этому простейшему принципу и работает клетка Фарадея.
Некая замкнутая электропроводящая оболочка помещается в электромагнитное поле (рис.1). Под его воздействием, свободные электроны движутся по законам электростатического притяжения. Таким образом, противоположные стенки рамки (клетки) разноимённо заряжаются, создавая тем самым собственное электромагнитное поле, компенсирующее внешнее (рис.2). Безусловно, есть несколько технических аспектов, которых следует учесть при сооружении подобного экрана. К примеру, размер ячейки клетки, который должен быть меньше, чем длина волны внешнего излучения; также важно учесть скин-эффект (эффект затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубину проводящей среды), благодаря которому ток распределяется не по всему объёму проводника, а по поверхности.
Как видите, крайне незамысловатое приспособление, что, однако, не делает его бесполезным или устаревшим. На сегодняшний день данное устройство применяется как при работе с высоковольтными приборами или при проведении физических экспериментов требующих отсутствие воздействия электромагнитных полей, так и в обычных бытовых приборах, в частности, в СВЧ-печах.
Клетка Фарадея проникла не только в быт, но и в массовую культуру. Одним из атрибутов стереотипного параноика является самодельная шапочка из фольги, которая, по его собственному убеждению, обязана компенсировать воздействие внешних электромагнитных полей. Однако подобное применение электромагнитного экрана терпит крах уже на теоретической стадии: не следует забывать о скин-эффекте и прочих аспектах, описанных выше.
Удивительно, насколько просты в понимании некоторые важнейшие изобретения человечества. Честно говоря, порой сложнее понять человека, не задающегося вопросами об устройстве мироздания, чем понять само это устройство.