Faraday Cage

วันก่อนได้ยินคนพูด ถึงเรื่อง Faraday Cage กับสัญญาณ Wireless แล้วทำให้นึกถึงเมื่อสมัยเรียนฟิสิกส์ตอนปี 2 ก็เลยอยากเอามาแบ่งปันให้โดยเฉพาะสำหรับคนที่ลืมหลักการเรื่องแม่เหล็กไฟฟ้าไปแล้ว

ประจุขั้วเดียวกันจะมีแรงผลักออกจากกัน เริ่มต้นจากแรงที่กระทำระหว่างประจุไฟฟ้า ตามกฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law) โดยขนาดของแรงจะขึ้นอยู่กับขนาดของประจุไฟฟ้า และระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้านั้น ตามสมการ F = k(q1*q2)/R^2 โดยประจุที่มีขั้วตรงกันจะมีทิศทางของแรงผลักจากกัน และประจุที่มีขั้วตรงข้ามกันจะมีทิศทางของแรงเข้าหากัน ซึ่งแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้านี้สามารถคิดในรูปของสนามไฟฟ้า (Electric Field) แรงที่เกิดขึ้นกับประจุในสนามไฟฟ้า โดยประจุไฟฟ้าจะมีสนามไฟฟ้าอยู่รอบทิศทาง ขึ้นอยู่กับขนาดของประจุและระยะทางจากประจุ ตามสมการ E = kq/R^2 โดยกำหนดทิศทางของสนามไฟฟ้าออกจากประจุบวก และเข้าหาประจุลบ ซึ่งจากกฎข้างต้นสามารถประยุกต์ได้เป็นแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าเนื่องจาก สนามไฟฟ้า คือ F = qE โดยทิศทางของแรงจะขึ้นอยู่กับขั้วของประจุไฟฟ้าและทิศทางของสนามไฟฟ้า ซึ่งกฎของแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าเนื่องจากสนามไฟฟ้านี้เป็นพื้นฐานสำคัญ อย่างหนึ่งของ Faraday Cage

การคำนวณสนามไฟฟ้าเนื่องจากประจุ Gaussian Surface ภายในวัตถุตัวนำ กับการกระจายตัวของประจุบนพื้นผิว สามารถทำได้โดยใช้ Gauss’s Law ซึ่งกล่าวไว้ว่า ฟลักซ์ไฟฟ้า (ปริมาณของสนามไฟฟ้าผ่านหน่วยพื้นที่) ที่ผ่านพื้นที่ทรงปิด จะเป็นสัดส่วนกับปริมาณของประจุไฟฟ้าในพื้นที่ทรงปิดนั้น ซึ่งกฎนี้สามารถใช้อธิบายได้ว่าการสะสมประจุไฟฟ้าในวัตถุที่เป็นตัวนำไฟฟ้า (เช่นในกรณีของไฟฟ้าสถิตย์) จะเกิดขึ้นที่พื้นผิวของตัวนำเท่านั้น เนื่องจากหากมีประจุอยู่ภายในส่วนที่ลึกกว่าพื้นผิว จะทำให้มีสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุในตัวนำจนกระทั่งเกิดการเรียงตัวของ ประจุไฟฟ้าใหม่ไปที่พื้นผิวเท่านั้น ซึ่งพิสูจน์ได้จากการสร้าง Gaussian Surface ขึ้นภายในตัวนำนั้น จะพบว่าไม่มีสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุบนพื้นผิว หรือเท่ากับไม่มีการสะสมประจุภายในของวัตถุตัวนำนั่นเอง

หลักการของ Gaussian Surface สามารถนำไปใช้กับวัตถุตัวนำที่ภายในกลวงได้ด้วย กล่าวคือ หากไม่มีประจุภายในช่วงว่างของวัตถุตัวนำทรงกลวงแล้ว ประจุบนวัตถุตัวนำนั้นจะอยู่ที่พื้นผิวด้านนอกเท่านั้น เนื่องจากหากสร้าง Gaussian Surface รอบพื้นที่ภายในส่วนที่กลวงจะพบว่าไม่มีสนามไฟฟ้าที่จะกระทำต่อประจุที่พื้นผิวด้านนอก

Gaussian Surface กับตัวนำทรงกลวง

เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กผ่านตัวนำ จะเกิดการเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้า คุณสมบัติทางไฟฟ้าอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับ Faraday Cage คือการเหนี่ยวทำทางไฟฟ้าเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก (Electromagnetic Induction) กล่าวคือเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก จะทำให้เกิดแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้า หรือกล่าวได้อีกนัยหนึ่งคือหากมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กที่ผ่านตัวนำไฟฟ้า จะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (หรือกระแสไฟฟ้าในกรณีที่ตัวนำไฟฟ้ามีลักษณะครบวงจร) ในทางกลับกัน การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านสนามแม่เหล็กที่มีขนาดคงที่ก็จะเกิดแรงที่ กระทำต่อประจุนั้นเช่นกัน ตามกฎของ Lorentz โดยสามารถคำนวณขนาดและทิศทางของแรงได้จากสมการ F = q*(v x B) ซึ่งหลักการนี้เป็นหลักการพื้นฐานของไดนาโม มอเตอร์ (การเคลื่อนที่ของขดลวดผ่านสนามแม่เหล็กคงที่) และหม้อแปลงไฟฟ้า (การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กผ่านขดลวดคงที่)

นอกจากนี้แล้ว กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในทิศทางตรงข้ามของการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กเดิม (ที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำในตอนแรก) โดยสามารถอธิบายได้ในรูปของสมการ ตามกฎของ Lenz

การเหนี่ยวทำสนามแม่เหล็กในทิศส่วนทางที่เกิดขึ้นจากสนามแม่เหล็กตั้งต้นเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในตัวนำ

หลักการสุดท้ายที่จะพูดถึงก่อนจะเข้าเรื่อง Faraday Cage คือหลักการของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่ประกอบด้วยคลื่นไฟฟ้า (การเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า) และคลื่นแม่เหล็ก (การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก) ตัวอย่างของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวเราได้แก่คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นเรดาร์ (แสงก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างหนึ่งด้วย)

จากหลักการที่กล่าวมาข้างต้นทั้งหมด จึงเป็นที่มาของ Faraday Cage หรือ Faraday Shield คือการใช้ตัวนำไฟฟ้ารูปทรงปิดเพื่อป้องกันสนามไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยสนามไฟฟ้าที่ผ่าน Faraday Cage จะทำให้เกิดการเรียงตัวของประจุบนพื้นผิวของวัตถุตัวนำ โดยที่สนามไฟฟ้าภายในยังมีค่าเป็นศูนย์ เนื่องจากสนามไฟฟ้าที่เกิดจากการเรียงตัวของประจุหักล้างกันสนามไฟฟ้าที่ กระทำจากภายนอก ซึ่ง Faraday Cage สามารถป้องกันสนามไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงหรือมีค่าคงที่ได้

ในส่วนของการป้องกันสนามแม่เหล็ก Faraday Cage สามารถป้องกันสนามแม่เหล็กที่มีการเปลี่ยนแปลง (ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ได้เท่านั้น โดยเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กจากภายนอก จะเหนี่ยวนำให้เกิดการไหลของประจุบนวัตถุตัวนำ ซึ่งการไหลนั้นจะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นในทิศตรงกันข้าม ทำให้เกิดการหักล้างของสนามแม่เหล็กภายในของวัตถุตัวนำ โดยการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องใช้วัตถุตัวนำทรงปิดทึบ แต่สามารถใช้ Faraday Cage เป็นตะแกรงที่มีขนาดช่องตะแกรงเล็กกว่าความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ต้องการป้องกันได้ อย่างไรก็ดี Faraday Cage ไม่สามารถใช้ป้องกันสนามแม่เหล็กที่มีค่าคงที่ได้ (เช่น สนามแม่เหล็กโลก) เนื่องจากสนามแม่เหล็กคงที่จะไม่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าบนวัตถุตัวนำ

Faraday Cage สามารถใช้ในการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในห้องทดลองที่มีความไวต่อการรบกวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอก (เช่น คลื่นวิทยุ และคลื่นโทรศัพท์) นอกจากนี้แล้วหลักการ Faraday Cage ยังใช้กับเตาไมโครเวฟ (สังเกตตะแกรงโลหะที่ฝาไมโครเวฟ) ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้คนที่อยู่หน้าเตาสุกไปพร้อมกับอาหารข้างในด้วย ลิฟต์ในอาคารยังเป็นเสมือน Faraday Cage อย่างนึงที่ป้องกันคลื่นโทรศัพท์ได้ (ไม่ใช่เพราะประตูลิฟต์หนาจนคลื่นโทรศัพท์ทะลุไม่ได้) แต่ที่เรายังพอจะใช้สัญญาณโทรศัพท์ในลิฟต์ได้บ้าง เป็นเพราะช่องเปิดและส่วนประกอบที่ไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้า ทำให้ตัวลิฟต์ไม่เป็นวัตถุตัวนำทรงปิดอย่างสมบูรณ์

Credit:

http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/e_and_v.htm

http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/induction.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday’s_law_of_induction

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/tools/faradaycage.html

One thought on “Faraday Cage

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s