Les cages de Faraday sont de toutes formes et tailles, mais tous utilisent un écran métallique qui conduit l'électricité, créant un effet de blindage. Hemera Technologies/©Getty Images/Thinkstock L'électricité est l'élément vital de nombreux aspects de notre monde. Sans volts et ampères, nombre de nos innovations technologiques cesseraient d'exister. Même notre corps ne fonctionnerait pas sans une charge électrique qui traverse nos cellules. Mais ce que donne l'électricité, l'électricité peut emporter.
Bien que cette forme d'énergie soit vitale pour une grande partie de nos vies, c'est l'une de ces choses qui ne sont bonnes que dans les bonnes quantités. Trop d'électricité peut électrocuter les gens. De même, il peut tuer nos appareils électroniques et nos machines modernes.
Mais grâce à Michael Faraday, le brillant scientifique du XIXe siècle, et l'une de ses inventions homonymes, la cage de Faraday, nous, les humains, avons développé de nombreux moyens de contrôler l'électricité et de la rendre plus sûre pour nos ordinateurs, voitures et autres inventions - et pour nous, trop.
Les cages de Faraday protègent leur contenu des champs électriques statiques. Un champ électrique est un champ de force entourant un particule chargée , comme un électron ou un proton.
Ces cages ont souvent un aspect distinct, bien, en forme de cage. Certains sont aussi simples que des clôtures à mailles losangées ou des seaux à glace. D'autres utilisent une fine maille métallique. Quelle que soit leur apparence exacte, toutes les cages de Faraday prennent des charges électrostatiques, voire certains types de rayonnement électromagnétique, et les répartir autour de l'extérieur de la cage.
Un rayonnement électromagnétique est tout autour de nous. C'est en lumière visible et ultraviolette, dans les micro-ondes qui cuisent nos aliments et même dans les ondes radio FM et AM qui diffusent de la musique dans nos radios. Mais parfois, ce rayonnement est indésirable et carrément perturbateur. C'est là qu'interviennent les cages de Faraday.
Comme une cage de Faraday distribue cette charge ou ce rayonnement autour de l'extérieur de la cage, il annule les charges électriques ou les radiations à l'intérieur de la cage. En bref, une cage de Faraday est un conducteur creux, dans laquelle la charge reste sur la surface externe de la cage.
Cette fonction de base a de nombreuses utilisations fascinantes dans notre monde encombré d'électricité et de technologie. Et bien que Faraday finirait par avoir sa journée, la toile de fond de son invention a en fait ses racines dans les temps anciens. Donc, d'où est venue l'idée de ces cages ultra-utiles ? Découvrez-le à la page suivante.
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Les premiers scientifiques savaient que la foudre détenait les secrets de toutes sortes de pouvoirs étonnants. Ben Franklin a mené de nombreuses expériences pour tenter de percer les mystères de l'électricité. iStockphoto/Thinkstock C'est Ben Franklin qui a contribué à inspirer de nombreuses idées derrière les cages de Faraday. Franklin, bien sûr, a passé une partie de son illustre carrière à faire voler des cerfs-volants dans les orages pour tenter d'attirer la foudre et était donc déjà quelque peu familiarisé avec les caprices et les concepts de l'électricité.
En 1755, Franklin a commencé à jouer avec l'électricité d'une nouvelle manière. Il a électrifié une canette de pinte d'argent et y a fait descendre une boule de liège non chargée attachée à un fil de soie non conducteur. Il a abaissé la balle jusqu'à ce qu'elle touche le fond de la boîte et a observé que la balle n'était pas attirée par les côtés intérieurs de la boîte. Pourtant, lorsque Franklin a retiré la boule de liège et l'a suspendue près de l'extérieur de la boîte électrifiée, la balle a été immédiatement attirée à la surface de la boîte.
Franklin a été mystifié par l'interaction de l'électricité et des objets chargés et non chargés. Il l'a avoué dans une lettre à un collègue :« Vous avez besoin de la raison; je ne la connais pas. Peut-être la découvrirez-vous, et alors vous aurez la bonté de me le communiquer.
Des décennies plus tard, un physicien et chimiste anglais nommé Michael Faraday a fait d'autres observations pertinentes - à savoir, il s'est rendu compte qu'un appareil électrique conducteur (comme une cage en métal), lorsqu'il est chargé, ne présentait cette charge qu'à sa surface. Cela n'a eu aucun effet sur l'intérieur du conducteur.
Faraday a réaffirmé cette observation en tapissant une pièce avec une feuille de métal, puis en chargeant la feuille à l'aide d'un générateur électrostatique. Il a placé un électroscope (un appareil qui détecte les charges électriques) à l'intérieur de la pièce, et, comme il l'avait prévu, la portée indiquait qu'il n'y avait pas de frais dans la chambre. La charge s'est simplement déplacée le long de la surface de la feuille et n'a pas du tout pénétré la pièce.
Faraday a examiné plus en détail ce phénomène avec sa célèbre expérience du seau à glace. Dans cet essai, il a essentiellement dupliqué l'idée de Franklin en abaissant une boule de laiton chargée dans une tasse en métal. Comme prévu, ses résultats étaient les mêmes que ceux de Franklin.
Ce concept a toutes sortes d'applications étonnantes, mais en voici une qui s'applique à tous ceux qui ont déjà été dans un avion. Imaginez voler dans un avion soudainement frappé par la foudre. Ce n'est pas un événement rare - cela arrive en fait régulièrement, pourtant l'avion et ses passagers ne sont pas affectés. C'est parce que la coque en aluminium de l'avion crée une cage de Faraday. La charge de la foudre peut passer sans danger sur la surface de l'avion sans endommager l'équipement ou les personnes à l'intérieur.
ce n'est pas choquant, vraiment. C'est juste de la science. Sur la page suivante, vous verrez comment ce type de conception de cage intelligent fonctionne vraiment.
Afin de comprendre le fonctionnement des cages de Faraday, vous avez besoin d'une compréhension de base du fonctionnement de l'électricité dans les conducteurs. Le processus est simple :Objets métalliques, comme un treillis en aluminium, sont des conducteurs, et ont électrons (particules chargées négativement) qui s'y déplacent. Lorsqu'aucune charge électrique n'est présente, le conducteur a à peu près le même nombre de particules positives et négatives mélangées.
Si un objet externe chargé électriquement s'approche du conducteur, les particules positives et négatives se séparent. Les électrons avec une charge opposée à celle de la charge externe sont attirés vers cet objet externe. Les électrons ayant la même charge que l'objet externe sont repoussés et s'éloignent de cet objet. Cette redistribution des charges est appelée induction électrostatique .
Avec l'objet chargé externe présent, les particules positives et négatives s'enroulent sur les côtés opposés du conducteur. Le résultat est un champ électrique opposé qui annule le champ de charge de l'objet externe à l'intérieur du conducteur métallique. La charge électrique nette à l'intérieur de la maille en aluminium, alors, est zéro.
Et voici le vrai kicker. Bien qu'il n'y ait pas de charge à l'intérieur du conducteur, le champ électrique opposé a un effet important - il protège l'intérieur des charges électriques statiques extérieures et également du rayonnement électromagnétique, comme les ondes radio et les micro-ondes. C'est là que réside la vraie valeur des cages de Faraday.
L'efficacité de ce blindage varie en fonction de la construction de la cage. Variations de la conductivité de différents métaux, comme le cuivre ou l'aluminium, affecter la fonction de la cage. La taille des trous dans l'écran ou la maille modifie également les capacités de la cage et peut être ajustée en fonction de la fréquence et de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique que vous souhaitez exclure de l'intérieur de la cage.
Les cages de Faraday portent parfois d'autres noms. Ils peuvent être appelés Boucliers de Faraday , RF ( fréquence radio ) cages , ou CEM ( force électromotrice ) cages .
Peu importe comment vous les appelez, Les cages de Faraday sont le plus souvent utilisées dans les laboratoires scientifiques, soit dans les expérimentations, soit dans le développement de produits. Sur la page suivante, vous découvrirez exactement comment les ingénieurs mettent ces boucliers ingénieux à l'épreuve.
Pas ce que Michael avait en têteQuand Faraday a construit sa première cage, il n'avait probablement pas de vol sur le cerveau. Mais les flics attrapent souvent des voleurs à l'étalage qui recouvrent des sacs de papier d'aluminium, qui interfère avec les étiquettes RFID antivol apposées sur les produits coûteux dans les magasins de détail.
Il était issu d'une famille pauvre et avait peu d'éducation dans son enfance, mais Michael Faraday est devenu l'un des scientifiques les plus célèbres et les plus renommés au monde. Hemera/Thinkstock Les gens utilisent les cages de Faraday à diverses fins - parfois dans des environnements de laboratoire ésotérique, d'autres fois dans des produits communs. Ta voiture, par exemple, est essentiellement une cage de Faraday. C'est l'effet de la cage, pas les pneus en caoutchouc, qui vous protège en cas de coup de foudre à proximité.
Beaucoup de bâtiments agissent comme des cages de Faraday, trop, ne serait-ce que par accident. Avec leurs murs de plâtre ou de béton parsemés de barres d'armature métalliques ou de treillis métalliques, ils font souvent des ravages avec les réseaux Internet sans fil et les signaux des téléphones portables.
Mais l'effet de protection profite le plus souvent à l'humanité. Les fours à micro-ondes inversent l'effet, piéger les vagues dans une cage et cuire rapidement vos aliments. Les câbles de télévision blindés aident à maintenir une netteté, image claire en réduisant les interférences.
Les monteurs de lignes des services publics d'électricité portent souvent des combinaisons spécialement conçues qui exploitent le concept de cage de Faraday. Dans ces costumes, les monteurs de lignes peuvent travailler sur des lignes électriques à haute tension avec un risque d'électrocution très réduit.
Les gouvernements peuvent protéger les équipements de télécommunications vitaux contre la foudre et autres interférences électromagnétiques en construisant des cages de Faraday autour d'eux. Les laboratoires scientifiques des universités et des entreprises utilisent des cages de Faraday avancées pour exclure complètement toutes les charges électriques externes et les rayonnements électromagnétiques afin de créer un environnement de test totalement neutre pour toutes sortes d'expériences et de développement de produits.
Intrigué ? Continue de lire, et vous verrez d'autres façons sauvages dont cet effet de cage simple est utilisé à des fins sophistiquées.
Fabriquez votre propre cageVous n'avez pas besoin de dépenser des millions ou d'avoir un diplôme en physique pour fabriquer votre propre cage de Faraday. Sur Internet, vous pouvez trouver des instructions pour construire une cage simple à partir de produits ménagers courants.
Les fours à micro-ondes sont un produit courant qui utilise une cage de Faraday. Au lieu de garder les micro-ondes à l'extérieur, ils les forcent à entrer dans une petite chambre de cuisson qui « atomise » votre nourriture. Jupiterimages/©Getty Images/Thinkstock Passez par un hôpital et vous trouverez des cages de Faraday sous la forme de IRM ( balayage par résonance magnétique ) pièces. Les IRM reposent sur des champs magnétiques puissants pour créer des scans médicalement utiles du corps humain. Les salles d'IRM doivent être blindées pour empêcher les champs électromagnétiques parasites d'affecter les images diagnostiques d'un patient.
Les cages de Faraday ont de nombreuses utilisations politiques et militaires, trop. Les politiciens peuvent choisir de discuter de questions sensibles uniquement dans des salles blindées qui peuvent bloquer les technologies d'écoute clandestine. Toutes les forces armées modernes dépendent de l'électronique pour les communications et les systèmes d'armes, mais il y a un hic :ces systèmes sont vulnérables aux attaques agressives EMP ( impulsions électromagnétiques ), qui peut être le résultat d'une tempête solaire ou même d'attaques IEM artificielles. Pour protéger les systèmes critiques, les militaires utilisent parfois des bunkers et des véhicules blindés.
C'est pour cette même raison que les cages de Faraday sont un sujet de prédilection dans la sous-culture survivaliste. Ces gens, qui prêchent l'autosuffisance et la méfiance à l'égard de la réponse gouvernementale face aux catastrophes d'origine humaine ou naturelle, croire au blindage de tous les appareils électroniques importants en utilisant des cages de Faraday faites maison. En cas de cataclysme apocalyptique, ils auront toujours leurs radios à ondes courtes et d'autres outils de haute technologie qui pourraient leur sauver la vie.
Même si vous n'êtes pas particulièrement concerné par les scénarios apocalyptiques, Les cages de Faraday jouent probablement un rôle dans votre vie de tous les jours. Ces cages exploitent un principe de base de la physique et aident les gens de toute la planète à mettre ces principes en pratique - pour la sécurité, luxe, commodité et contribuer à des avancées technologiques toujours plus passionnantes.
Publié à l'origine :28 juin 2011
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