กรงฟาราเดย์

กรงฟาราเดย์ คือทรงปิดที่กีดขวางสนามไฟฟ้าได้ มันถูกสร้างจากตัวนำไฟฟ้าหรือร่างแห (mesh) ของตัวนำนั้น กรงฟาราเดย์ตั้งชื่อตามไมเคิล ฟาราเดย์ ผู้คิดค้นในปี ค.ศ. 1836

กรงฟาราเดย์

ถุงฟาราเดย์คือถุงที่สร้างจากเส้นใยโลหะยืดหยุ่น มันถูกใช้ป้องกันการลบหรือดัดแปลงข้อมูลระยะไกลของอุปกรณ์ไร้สายที่ถูกพบและเก็บรวบรวมในการสืบสวนสอบสวน มันอาจถูกใช้โดยบุคคลทั่วไปที่ต้องการความเป็นส่วนตัวทางดิจิทัล

กรงฟาราเดย์ทำงานได้เนื่องจากสนามไฟฟ้าภายนอกทำให้ประจุภายในตัวนำไฟฟ้ากระจายไปในลักษณะที่ทำให้สนามไฟฟ้าภายในหักล้างกันเอง ปรากฏการณ์นี้ถูกใช้เพื่อปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อ่อนไหวจากการแทรกสอดของคลื่นวิทยุ (RFI) กรงฟาราเดย์อาจถูกใช้ห่อหุ้มอุปกรณ์ที่สร้าง RFI อย่างทรานสมิตเตอร์ เพื่อป้องกันไม่ให้คลื่นวิทยุรบกวนอุปกรณ์รอบข้าง กรงยังอาจใช้เพื่อปกป้องคนหรืออุปกรณ์จากกระแสไฟที่เกิดขึ้นในธรรมชาติอย่าง ฟ้าผ่า หรือ การถ่ายเทประจุไฟฟ้าสถิต (electrostatic discharge) เนื่องจากตัวกรงจะนำไฟฟ้าและปกป้องพื้นที่ภายในไว้ได้

กรงฟาราเดย์ไม่สามารถกีดขวางสนามแม่เหล็กสถิต หรือสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนอย่างช้า ๆ ตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กโลก (เข็มทิศจึงยังทำงานได้ในกรง) แต่ในกรณีการเปลี่ยนแปลงของสนามอย่างรุนแรง กรงจะสามารถป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หากวัสดุทำกรงหนาพอและรูภายในเล็กกว่าความยาวคลื่นตกกระทบอย่างมีนัยสำคัญ

กรงฟาราเดย์สามารถกีดขวางและลดทอนคลื่นได้บางชนิดเท่านั้น คลื่นจากอุปกรณ์ RFID ชนิดความถี่สูงมีความเป็นไปได้ที่จะทะลุผ่าน กรงเหล็กแบบตันจะทำหน้าที่กีดขวางสัญญานได้ดีกว่า

ประวัติ

ในปี ค.ศ. 1836 ไมเคิล ฟาราเดย์สังเกตว่าประจุไฟฟ้าส่วนเกินในตัวนำจะอยู่แต่ฝั่งด้านนอกเท่านั้น และไม่ส่งผลใด ๆ ต่อพื้นที่ภายใน เพื่อสาธิตความจริงข้อนี้ เขาสร้างห้องที่บุด้วยฟอยล์และปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตโวลต์สูงจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใส่ผนังด้านนอก เขาใช้เครื่องอิเล็กโทรสโคปเพื่อแสดงว่าไม่มีประจุไฟฟ้าปรากฏในพื้นที่ภายในห้อง

ถึงแม้ว่าชื่อของกรงจะตั้งเป็นเกียรติแก่ฟาราเดย์ แต่ในปี ค.ศ. 1755 เบนจามิน แฟรงคลินเป็นผู้ที่สังเกตเห็นปรากฏการณ์ก่อน จากการหย่อนจุกไม้คอร์กที่ห้อยบนเส้นด้ายไหมลงผ่านรูบนกระป๋องที่ถูกเหนี่ยวนำ ผลคือจุกไม้คอร์กไม่เลื่อนไปติดผนังกระป๋องด้านใดด้านหนึ่งและแม้ว่าจุกไม้จะสัมผัสกับก้นกระป๋อง เมื่อนำออกมาไม่พบว่าจุกคอร์กได้ถูกเหนี่ยวนำตาม ทั้งที่หากสัมผัสกับผนังด้านนอก ผลจะเป็นในทางกลับกัน

หลักการทำงาน

 

ภาพเคลื่อนไหวแสดงหลักการทำงานของกรงฟาราเดย์ เมื่อมีสนามไฟฟ้าภายนอก (ลูกศร) เข้ามา อิเล็กตรอนในโลหะจะเลื่อนไปทางซ้ายของกรง เกิดเป็นประจุลบ ส่วนประจุที่อยู่กับที่ด้านขวาเป็นด้านประจุบวก ประจุที่ถูกเหนี่ยวนำเหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าที่หักล้างพอดีกับสนามไฟฟ้าภายนอกตลอดขอบเขตกรง

กรงฟาราเดย์สามารถอธิบายโดยง่ายเทียบเคียงกับตัวนำไฟฟ้าแบบกลวงในอุดมคติ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกผ่านจากทั้งภายนอกและภายใน จะส่งผลให้เกิดแรงบนพาหะของประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) ภายในตัวนำ เกิดเป็นกระแสไฟฟ้า เมื่อพาหะกระจายตัวไปในทางที่หักลบกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใส่เข้ามาแล้ว กระแสก็จะหยุดไหล

ถ้าประจุถูกใส่ในกรงฟาราเดย์ที่ไม่ถูกกราวด์ ผิวภายในของกรงจะถูกเหนี่ยวนำเกิดประจุเพื่อหักล้างสนามไฟฟ้าภายในกรงที่เกิดจากประจุใหม่นั้น ผิวในที่ถูกเหนี่ยวนำก็จะไปเหนี่ยวนำผิวนอกในทิศทางและขนาดเดียวกับประจุที่ถูกนำไปใส่ในกรง ผิวในและนอกก็จะหักล้างกันเองในเชิงประจุ

หากกรงถูกกราวด์ ประจุส่วนเกินในตัวกรงจะถูกดึงลงสู่พื้น แทนที่จะเป็นผิวนอก ทำให้มีแต่ผิวใน และประจุภายในที่หักล้างกันเอง ในขณะที่บริเวณอื่นของกรงจะคงความเป็นกลางทางไฟฟ้า

ตัวอย่าง

• ใน เคมีวิเคราะห์ กรงฟาราเดย์ถูกใช้เพื่อลดคลื่นรบกวนในการวัดค่าที่อ่อนไหวสูง
• ลิฟต์และห้องที่บุด้วยหรือสร้างด้วยโลหะนำไฟฟ้าจะเกิดผลของกรงฟาราเดย์ ทำให้สัญญาณโทรศัพท์และวิทยุอ่อนลง
• ห้องที่ตั้งเครื่องเอ็มอาร์ไอ ถูกสร้างให้เป็นกรงฟาราเดย์เพื่อป้องกันคลื่นวิทยุภายนอกที่อาจส่งผลต่อข้อมูลที่เก็บจากคนไข้ นักรังสีการแพทย์ถูกฝึกให้สังเกตลักษณะบนภาพที่บ่งชี้ว่ากรงอาจเกิดความเสียหายจากพายุฟ้าคะนอง
• เตาไมโครเวฟ สร้างเป็นกรงฟาราเดย์เพื่อกักเก็บพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าไว้ภายในเตา และป้องกันการแผ่ของรังสีออกไป

อ้างอิง

1. "Michael Faraday". Encarta. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 2009-10-31. สืบค้นเมื่อ 20 November 2008. Unknown parameter |deadurl= ignored (help)
2. J. D. Krauss, Electromagnetics, 4Ed, McGraw-Hill, 1992, ISBN 0-07-035621-1