Lồng Faraday là gì?
Lồng Faraday được đặt theo tên của nhà khoa học người Anh Michael Faraday, người phát minh ra chúng vào năm 1836 nhưng Benjamin Franklin cũng có đóng góp lớn cho sự phát triển và ứng dụng “Lồng Faraday”.
Lồng Faraday như một vỏ bọc hay “màn chắn điện” để chặn các trường điện từ, giúp con người và thiết bị ở bên trong lồng Faraday không chịu bất cứ trường điện từ do bên ngoài tác động.
Faraday nhận thấy rằng, điện tích của dây dẫn (trên một dây dẫn tích điện) không ảnh hưởng đến bất cứ thứ gì được đặt bên trong lồng; điện tích chỉ nằm ở bên ngoài.
Để kiểm chứng hiện tượng này, Faraday lắp đặt một căn phòng, phủ toàn bộ căn phòng bằng lá kim loại. Sau đó, sử dụng một máy phát tĩnh điện, phóng điện cao thế lên bên ngoài căn phòng phủ lá kim loại của mình. Với một chiếc kính quan sát, ông không tìm thấy điện tích trên các bức tường phía bên trong phòng.
Nguyên lý hoạt động của lồng Faraday
Đã bao giờ bạn thắc mắc, tại sao khi đi ô tô trong thời tiết xấu, sấm chớp đì đùng, mà không bị sét đánh? Hiện tượng này được lý giải bởi nguyên lý hoạt động của lồng Faraday.
Nguyên lý hoạt động của lồng Faraday có thể hiểu như sau: điện trường bên ngoài làm cho các điện tích bên trong vật liệu dẫn điện của lồng được phân bố sao cho chúng triệt tiêu hiệu ứng của điện trường bên trong lồng, có nghĩa là tổng trường điện từ bên trong lồng bằng 0.
Lồng Faraday được làm bằng kim loại nhưng sự kì diệu của chiếc lồng là ở bất kỳ vị trí nào bên trong lồng đều có tổng điện trường bằng 0. Nếu có dòng điện, nó sẽ đi quanh lồng do điện trở của lồng thấp, khiến cho vật bên trong lồng không bị truyền điện. Có nghĩa là khi bạn ngồi trong ô tô, có một dòng điện lớn chạy qua thì bạn vẫn an toàn.
Lồng Faraday không thể chặn các từ trường ổn định hoặc thay đổi chậm, chẳng hạn như từ trường Trái đất (la bàn vẫn hoạt động bên trong). Tuy nhiên, lồng Faraday có thể che chắn bên trong khỏi bức xạ điện từ bên ngoài nếu vật dẫn đủ dày và bất kỳ lỗ hổng nào trên lồng Faraday phải nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng của bức xạ.
Ứng dụng lồng Faraday trong đời sống
Hiệu ứng của lồng Faraday được ứng dụng rộng rãi trong đời sống ngày nay, che chắn các hiện tượng phóng tĩnh điện, tần số vô tuyến, bảo vệ thiết bị điện tử khỏi bị sét đánh.
Ứng dụng trong chụp cộng hưởng từ
Ở nhiều bệnh viện, phòng scan của máy chụp cộng hưởng từ (MRI) được thiết kế dạng lồng Faraday. Chụp MRI dựa vào từ trường mạnh mẽ để tạo ra các bản quét hữu ích về mặt y tế đối với cơ thể con người. Phòng chụp MRI phải được che chắn để ngăn chặn những tín hiệu tần số vô tuyến (radio frequency - RF) từ bên ngoài, tránh khỏi nhiễu điện từ. Nhờ đó, hạn chế những ảnh hưởng tác động đến kết quả chụp MRI để bác sĩ có thể đưa ra những chẩn đoán chính xác nhất.
Ứng dụng chống sét
Dù là nhà cửa, ô tô, máy bay, hay các khoang hành khách có cấu tạo như dạng lồng Faraday, đều có thể áp dụng được nguyên lý lồng Faraday. Khi sét đánh vào lồng, bất cứ vật dụng hay người bên trong lồng đều an toàn. Đó là lý do vì sao khi đi ô tô, máy bay trong điều kiện thời tiết giông sét, bạn vẫn được đảm bảo an toàn. Tất nhiên, trừ ra các loại xe mui trần bạn nhé!
Ứng dụng trong sản xuất quần áo bảo hộ
Sử dụng nguyên lý lồng Faraday, người ta sản xuất quần áo bảo hộ, thiết kế theo dạng lồng, bảo vệ cho thợ điện khi làm việc trực tiếp với điện cao thế. Ở giữa lớp vải của những bộ quần áo này là lớp kim loại tạo ra một lồng Faraday. Nhờ đó, thợ điện có thể làm việc an toàn trên các đường dây điện.
Ứng dụng trong hóa học
Dùng trong hóa học phân tích để làm giảm tiếng ồn khi thực hiện những phép đo nhạy cảm và cần độ chính xác cao trong các phòng thí nghiệm hóa học.
Ứng dụng trong kỹ thuật số
Một số quy trình kiểm tra máy tính của các hệ thống điện tử yêu cầu môi trường không có nhiễu điện từ, có thể được thực hiện trong phòng có màn chắn. Các phòng này được thiết kế bao bọc bởi một hoặc nhiều lớp lưới kim loại mịn. Các lớp kim loại được nối đất để tiêu tán bất kỳ dòng điện nào, do đó ngăn chặn một lượng lớn nhiễu điện từ. Nguyên lý này được sử dụng để bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm (ví dụ như máy thu RF) khỏi nhiễu tần số vô tuyến bên ngoài thường xảy ra trong quá trình thử nghiệm hoặc căn chỉnh thiết bị. Tuy nhiên, lồng Faraday có độ suy giảm khác nhau tùy thuộc vào dạng sóng, tần số hoặc khoảng cách từ máy thu/phát và công suất máy thu/phát.
Ứng dụng trong thiết kế thang máy
Thang máy được thiết kế có khung và vách dẫn bằng kim loại, mô phỏng hiệu ứng của lồng Faraday. Đây là một trong những lý do dẫn đến mất sóng hay sóng điện thoại chập chờn, khi bạn sử dụng điện thoại di động, radio và các thiết bị điện tử khác trong thang máy.
Ứng dụng trong thiết kế lò vi sóng
Lò vi sóng sử dụng lồng Faraday, để chứa năng lượng điện từ bên trong lò và che chắn bức xạ không thoát ra bên ngoài lò. Bạn chỉ có thể thấy một phần bên trong lò vi sóng qua ô kính phủ lớp kính mờ.
