Fyzmatik | Je Faradayova klec klecí smrti?

Faradayova klec je pojem známý již od 19. století. Její název je odvozen od jména anglického fyzika Michaela Faradaye, který se na přelomu 18. a 19. století zabýval výzkumem v oblasti elektromagnetismu. Někdy v letech 1835 až 1836 objevil efekt stínění elektrického pole, který byl později označen jako jev Faradayovy klece. Jeho princip je založen na tom, že elektrický náboj se rozloží jen na vnějším povrchu vodiče a nedostane se dovnitř jeho objemu. Uvnitř vodiče nepůsobí žádné elektrické pole nebo elektromagnetické pole.

Faraday vytvořil elektrostaticky stíněný prostor tak, že zhotovil krychli z měděného drátu o délce hrany tři metry, nabil ji elektrickým nábojem. Pak měřil pomocí železné kuličky na niti rozložení náboje uvnitř i vně krychle. S překvapením zjistil, že všechen elektrický náboj je rozložen zvenčí. Pokus mimo jiné ukázal, že uvnitř krychle lze vytvořil elektrický stín, kdy elektrické pole z vnějšku krychle za určitých podmínek nepronikne dovnitř. Pokud do této krychle vložíme elektroskop a na vnější stranu krychle je přiveden náboj, pak  na elektroskopu zjistíme, že uvnitř krychle nepůsobí žádné elektrostatické pole. Důvod proč se náboj  přivedený na izolované vodivé těleso rozloží pouze na vnějším povrchu tělesa je prostý: přivedené náboje stejného znaménka se odpuzují, proto se snaží od sebe oddálit co nejvíce.

Faradayova klec se využívá zejména tam, kde je třeba chránit zařízení či osoby před škodlivým elektromagnetickým polem, rádiovými vlnami apod. Pro tyto účely jsou stavěny specializované Faradayovy klece. Do jedné zkušební klece vstupuje také odvážný muž na videu: videotube.sk/...

Faradayovou klecí je v podstatě i automobil, protože má kovovou karoserii. Může proto posádku chránit například před účinky blesku. Pokud by uhodil do auta blesk, sjede po vnější straně karoserie a nám se nic nestane, pokud se zrovna něčím vodivým nedotýkáme auta nebo pokud se rukou nedotýkáme nějaké kovové části auta. Samozřejmě, že se spíše řidič může leknutím vybourat. Faradayovou klecí bývá také kovová skříň elektroakustických přístrojů nebo stínění kabelů.

Když nastoupíme s mobilním telefonem do automobilu a zavřeme za sebou dveře, najednou se ocitneme ve Faradayově kleci, i když pravda ve velmi nedokonalé. Karoserie dnes vyráběných automobilů je totiž převážně z kovových dílů, které jsou elektricky vodivé. Proto deformují a částečně stíní elektrické pole. Velké otvory, jako jsou okna, tvoří poruchy klece a elektrické pole může tudy bez problémů pronikat. Aby Faradayova klec dobře stínila, musely by být vhodně uzpůsobeny tvary či rozměry jednotlivých buněk mřížky. Oka by v principu neměla být větší, než je délka vlny stíněného záření. Laicky řečeno: vlna nesmí oknem projít. Pro kmitočty GSM 900 je délka vlny zhruba 33 cm a pro GSM 1800 pak asi 17 cm. 

Pokud jsou ale instalována v automobilu speciální skla, která jsou potažena velmi tenkou kovovou fólií, prostor uvnitř vozu se stane ještě dokonaleji stíněný. Důsledek je ten, že stínění se mobilnímu telefonu projeví jako zhoršený signál, na což mobil zareaguje zvýšením vysílacího výkonu.

Toto chování můžete vyzkoušet i doma. Stačí například vložit mobilní telefon do vypnuté, mikrovlnné trouby tak, aby bylo přes dvířka vidět na displej s ukazatelem úrovně signálu. Při zavřených dvířkách mikrovlnné trouby se úroveň signálu znatelně sníží, popř. úplně zmizí.

Efekt Faradayovy klece v automobilu způsobí částečné odstínění vysílání základnové stanice, tedy zhoršení signálu, a následné zvýšení intenzity vysílání mobilního telefonu. Mobilní telefon ale vysílá uvnitř stíněného prostoru, ze kterého elektromagnetické záření také obtížně proniká ven. Částečně se v něm tedy odráží a dochází tak k deformaci elektromagnetického pole. Často mobil vysílá se zvýšeným výkonem, který se projevuje rychlejším vybitím akumulátorů mobilu.

Podobný efekt je pozorovatelný například i v prostředcích hromadné dopravy, jako jsou trolejbusy nebo autobusy. Zvláště patrný je tento jev v letadle, které je celé v podstatě kovový válec s velmi malými otvory pro okna, kudy se záření jen velmi obtížně dostává. Tento efekt úzce souvisí se zákazem používání mobilních telefonů na palubě letadel. Tomu ale bude nejspíše v dohledné době konec, protože vývojové kroky k telefonování na palubě jsou již vykonány.

Další příklad obří Faradayovou klecí je panelový dům. Betonové panely jsou uvnitř vyztuženy železnou mříží,  a tyto mříže se při stavbě panelového domu svařovaly k sobě. V panelových domech jsou tak ukryty obrovské kovové klece, které mohou signál více či méně odstínit. Taková klec je z hlediska stínění samozřejmě velmi nedokonalá, ale prokazatelné účinky přesto má.  Důsledkem Faradayova jevu i špatná dostupnost vašeho mobilního telefonu. Řešení pro auto i pro panelový dům je v použití externí antény, kterou umístíte např. na střechu automobilu. Ta totiž nakládá pouze s elektrickým polem, které je vně odstíněného prostoru a tím se stínící efekt úspěšně eliminuje.