Как нейтрализовать любой электромагнитный сигнал: принцип действия клетки Фарадея

Весь мир полагается на электромагнитные волны для связи: Wi-Fi, Bluetooth, мобильный интернет и даже радио — все они используют схожий принцип действия для своей работы.

Но вот можно ли, например, запретить определённому устройству общаться с другими, используя электромагнитные волны? В целях противодействия слежки или просто из любопытства.

В целом, это возможно, однако нельзя просто взять и заблокировать ЭМ-волны. Тем не менее, их можно нейтрализовать, окружив целевое устройство электропроводящим материалом. Учёные называют это клеткой Фарадея, и ниже мы рассмотрим, как она работает.

Что такое электромагнитная волна?

Начнём с теории. Электрический заряд (например, протон) создаёт электрическое поле в области вокруг себя. Это поле направлено на удаление от положительных зарядов и уменьшается с увеличением расстояния от них. Ниже представлена визуализация электрического поля, показывающая положительный заряд (красная сфера) вместе со стрелками в разных местах, обозначающих электрическое поле:

Электрическое поле также возможно создать при помощи магнитного поля. Магнитное поле образуется вокруг магнита, однако, если переместить его, магнитное поле изменится. Именно это изменение и образует электрическое поле. Более того, процесс работает в обе стороны — изменение электрического поля также ведёт к образованию магнитного поля.

Сама возможность существования электромагнитных волн была высказана физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в XIX веке. Схематически электрические и магнитные поля в одной волне можно изобразить следующим образом:

Если длина электромагнитной волны составляет от 10 метров, её называют радиоволной. В свою очередь, более короткие волны в диапазоне от 1 миллиметра до 1 метра называются микроволнами. Человеческий глаз же может улавливать гораздо более короткие волны — в диапазоне от 400 до 700 нанометров, это видимый свет.

Есть ещё одна важная концепция, которую необходимо рассмотреть, чтобы лучше понять электромагнитизм, — принцип суперпозиции. Согласно этому принципу, когда существует более одного поля, созданного более, чем одним зарядом, чистое поле представляет собой векторную сумму отдельных полей.

Рассмотрим следующий пример: предположим, существует два электрических заряда в одной и той же области пространства. Как найти электрическое поле вблизи этих зарядов?

Электрическое поле в любой точке представляет собой просто векторную сумму полей, создаваемых каждым зарядом. Вот как это будет выглядеть с двумя зарядами (красные сферы), которые создают электрические поля (белые стрелки). Итоговое общее поле в этой точке представлено жёлтой стрелкой.

Если два заряда создают электрические поля в одном направлении, результирующее поле будет больше. Однако если два поля расположены в противоположных направлениях, то поле будет меньше. Оно также будет равно нулю, если поля полностью нейтрализуют друг друга.

Электрические поля в проводниках

Клетка Фарадея работает как раз по вышеописанному принципу: она нейтрализует одно электромагнитное поле, создавая второе в противоположном направлении. Благодаря суперпозиции два поля компенсируют друг друга и создают чистое поле с нулевым значением. При нулевом электрическом поле электромагнитная волна в привычном понимании перестаёт существовать. Но важно помнить, что клетка Фарадея не блокирует электрические поля, а лишь нейтрализует их.

На практике клетка Фарадея представляет из себя сферическую оболочку, выполненную из какого-либо электропроводящего металла, в которой заключается некий объект (например, сотовый телефон). Проводимость материала, из которого выполнена оболочка, позволяет электрическим зарядам в материале клетки перемещаться по его поверхности и создавать второе электрическое поле, которое и гасит исходную электромагнитную волну, исходящую от телефона. Таким образом, если телефон внутри клетки Фарадея подаёт какой-то сигнал, его невозможно зафиксировать снаружи.

Это работает и наоборот: приходящие электромагнитные волны также будут нейтрализованы движущимися зарядами. То есть запертый в клетке Фарадея телефон не будет знать, что на него поступило текстовое сообщение или звонок.

Материалы, из которых изготовлена оболочка клетки Фарадея, также имеют решающее значение для её корректной работы. Как отмечалось выше, это обязательно должны быть электропроводящие металлы, такие как медь, алюминий или сталь. В проводящем материале атомы могут делиться одним из своих электронов с соседними атомами. Это означает, что электрон в основном может свободно перемещаться от одного атома к другому. Это не относится к изолятору, такому материалу, как дерево, пластик или стекло. В изоляторе электроны привязаны к своим первоначальным атомам и не могут перемещаться.

Настоящие клетки Фарадея

Клетка Фарадея необязательно должна быть сферой. Это может быть практически любая форма с полой внутренней частью. Однако на практике нельзя просто накрыть свой телефон любым электрическим проводником и ожидать, что он будет действовать как клетка Фарадея. Для корректной работы важны ещё два фактора: толщина материала и его прочность.

Оптимальная толщина зависит от удельного сопротивления материала, его магнитных свойств, а также частоты электромагнитной волны. Таким образом, для более длинных волн (например, радиоволн) понадобится гораздо более толстый материал.

Предположим, сотовый телефон обернули одним слоем алюминиевой фольги. Алюминиевая фольга действительно является электрическим проводником и способна выступать в роли клетки Фарадея, однако она очень тонкая. Электронов, по которым можно перемещаться, не так много, и они не могут разойтись очень далеко. В связи с этим клетка Фарадея из одного или даже нескольких слоёв алюминиевой фольги попросту не будет работать, так как не сможет полностью нейтрализовать электрическое поле внутри. Однако, если обеспечить достаточное число слоёв и, соответственно, достаточную толщину внешнего слоя, корректной работоспособности клетки вполне можно добиться.

Клетка Фарадея также может быть реализована с использованием сетчатого материала, а не только абсолютно сплошного. Это сложный расчёт, но в целом, если диаметр отверстий в сетке меньше длины волны электромагнитной волны, всё должно работать нормально.

Заключение

Использование клетки Фарадея — это очень интересный и эффективный способ временно «исчезнуть со всех радаров» и обеспечить полную конфиденциальность своей информации.

Благодаря экранированию электромагнитных волн внутри замкнутой металлической оболочки, клетка Фарадея позволяет полностью изолировать находящиеся в ней устройства от внешних сигналов.

Это особенно актуально в наше время тотальной цифровой слежки. Использование такой простой, но очень эффективной технологии даёт возможность хотя бы на время обезопасить и защитить свою личную информацию.