Faraday Cage: ce este? Cum Funcționează?

Introducere

este un secret bine-cunoscut (există un oximoron pentru tine!) printre electrochimiști că o cușcă Faraday este folosită pentru a reduce zgomotul. În timp ce acest „secret” este destul de cunoscut în cercurile electrochimice, v-ar fi greu să găsiți informații bune cu privire la utilizarea și funcția cuștilor Faraday în manualele de electrochimie., În fapt, o inspecție sumară de multe cărți pe rafturile aici la Gamry produs un rezultat în Electrochimie pentru Chimiști: „de obicei, necesită ca măsurătorile să se facă într-o cușcă Faraday (un scut împotriva zgomot electronic).”

deci, kudos la Sawyer, Sobkowaik, și Roberts pentru singura mențiune am putea găsi pe o căutare rapidă. De asemenea, au obținut utilizarea corectă: reducerea zgomotului, deosebit de importantă în experimentele cu curent scăzut (cum ar fi microelectrod voltammetria)., Desigur, nu există nici o mențiune de set-up, împământare, sau alte tehnici experimentale care beneficiază de utilizarea unui astfel de dispozitiv puturos, cum ar fi Eis sau măsurători de coroziune pe materiale foarte rezistente. Sau într-adevăr, chiar și ceea ce este de fapt o cușcă Faraday.

Deci cine a fost acest tip Faraday?

marele experimentalist Michael Faraday este cu siguranță cel mai bine cunoscut pentru munca sa cu magnetism și electricitate. El a fost un popularizator al științei, Carl Sagan sau Neil deGrasse Tyson din zilele sale, autor popular un curs de șase prelegeri despre istoria chimică a unei lumânări., Mult mai interesant, deși, poate fi faptul că el a respins o dată cavaler, de două ori a refuzat președinția Societății Regale, și, de asemenea, a refuzat să fie îngropat în Westminster Abbey.Faraday nu era foarte bun la matematică. Înțelegerea sa a nenumăratelor fenomene pe care le-a studiat a fost mai intuitivă în natură. Era un meșter. Printre numeroasele lucruri pe care le putem mulțumi cel puțin într-o parte pentru astăzi sunt energia electrică (generată de inducția electromagnetică), benzenul (un mic cancerigen foarte util) și, în mod natural, cușca Faraday.

când a fost inventată cușca Faraday?,

Michael Faraday a inventat cușca Faraday în 1836.

ce este o cușcă Faraday?în studiile și experimentele lui Faraday privind încărcarea, magnetismul și interacțiunea lor, el a descoperit că încărcarea pe un conductor locuia doar pe suprafața exterioară. Mai mult, el a descoperit că nimic din interiorul acelui conductor nu a fost afectat de nicio schimbare a sarcinii electrice la exterior. Mai târziu, teoria câmpului s-a bazat pe munca lui Faraday și el a crezut, contrar opiniei acceptate la acea vreme, că un câmp electric s-a extins în spațiu dincolo de o sarcină.,

având o înțelegere oarecum mai bună a lucrurilor acum, știm că repulsia electrostatică a unor sarcini similare determină o redistribuire a sarcinii către exteriorul unui conductor, rezultând un câmp electrostatic net în interiorul conductorului de zero. „În interiorul conductorului” înseamnă orice spațiu închis de un strat conductor continuu. acest fenomen produce un rezultat destul de îngrijit: orice zgomot cu o componentă electronică care există în afara cuștii este anulat complet în acel spațiu., Acesta este același mecanism pe care electrochimiștii îl folosesc pentru a justifica ignorarea câmpurilor electrostatice în soluțiile de electroliți cu conductivitate ridicată. Aceasta este, de asemenea, o stradă cu două sensuri: orice zgomot creat în interiorul cuștii este împiedicat să scape în lumea exterioară. Aceasta este ceea ce ne ține în siguranță lângă un cuptor cu microunde.

există trei lucruri mici de reținut. În primul rând, pauzele din cușcă provoacă goluri care permit penetrarea câmpurilor electromagnetice exterioare (EM)., Pentru o plasă sau o gaură găurită într-o cutie solidă, penetrarea radiației EM este limitată la oscilații care au lungimi de undă mai scurte decât dublul diametrului deschiderii. Deci, o deschidere de 1 cm permite lungimi de undă de 2 cm și mai scurte, care corespund zgomotului de 150+ GHz. o a doua preocupare și mai relevantă este o întrerupere lungă sau chiar completă a continuității materialului conductiv. Accesul la o cușcă Faraday prin capac sau ușă creează posibilitatea reală pentru o astfel de pauză în continuitate., Dacă o parte este discontinuă, chiar dacă se desfășoară, atunci încărcarea nu se poate redistribui corect, efectul de anulare nu va exista și un câmp non-zero va exista în cușcă. Utilizarea unui fir pentru conectarea marginilor discontinue poate ajuta la lucrul cu frecvență joasă, dar este adesea insuficientă pentru experimentele care au frecvențe și viteze de operare mai mari. o preocupare finală este conductivitatea cuștii. Aceasta este rareori o problemă, dar pe măsură ce mărimea cuștii crește, poate deveni o preocupare mai mare., Cu cât stratul conductiv este mai rezistiv, cu atât încărcarea mai lentă se redistribuie, rezultând un câmp care nu anulează.

când să folosiți o cușcă Faraday?

utilizați o cușcă Faraday ori de câte ori este posibil, pentru că reduce întotdeauna zgomotul, în special zgomotul din rețeaua electrică, care este omniprezent-fiecare laborator din fiecare clădire din fiecare țară cu o rețea electrică de curent alternativ. Cu toate acestea, unele experimente văd un efect mai mare decât altele. Acestea sunt experimente care se ocupă de curenți mici sau frecvențe înalte și experimente în care sunt necesare măsurători foarte precise (și exacte).,

doar despre oricine face electrochimie fizică (CV, voltammetrie puls, chronoamp, etc.) se încadrează în ultima categorie—și atunci când sunt implicați electrozi minusculi, atunci ambii. Coroziunea poate să nu necesite adesea atâta precizie și precizie, dar aliajele rezistente la coroziune pot duce cu ușurință la curenți măsurați în (și mai jos) gama nA, unde este cu siguranță nevoie de o cușcă Faraday. EIS implică frecvențe mai mari, astfel încât orice reducere a zgomotului este binevenită. Răspunsul sigur este să folosiți o cușcă Faraday ori de câte ori este posibil din punct de vedere fizic să faceți acest lucru., Dacă curentul celular nu depășește 1 µA, utilizați o cușcă Faraday.

în Figura 1, voltamogramele ciclice luate pe o celulă manechin rezistor-condensator sunt prezentate într-o cușcă Faraday. Ele arată că este posibil să se mute într-un mediu protejat în așa fel încât să aibă încă zgomot. Aceasta înseamnă că trebuie să discutăm cum să configurăm și să folosim corect o cușcă Faraday.

Figura 1. Trei CV-uri colectate pe aceeași celulă manechin RC cu aceiași parametri (0-1 V la 0.,5 V/S cu frecvență de achiziție de 1 kHz) folosind un software gamry Series g 750 potențiostat și VFP600 Virtual Front Panel. (a) colectate în afara unei cuști Faraday; (b) în interiorul unei cuști Faraday care nu a fost legată la potențiostat; (c) într-o cușcă Faraday care a fost legată la potențiostat (valorile curente sunt ~ 25 pA).

trebuie să fie împământată o cușcă Faraday?

pur și simplu pune: da. Toate măsurătorile electrochimice sunt referite la un potențial de sol în potențiostat., Din acest motiv, utilizarea eficientă a unei cuști Faraday pentru experimentarea electrochimică trebuie să includă o împământare adecvată. În timp ce problema de împământare poate deveni foarte complicată, raționamentul de bază este destul de simplu. Întreaga cușcă Faraday (inclusiv interiorul) are un potențial constant și—dacă nu este conectată—acest potențial poate fi destul de diferit de referința la sol a potențiostatului. Adică: pot exista tensiuni mari de curent alternativ între interiorul cuștii și referința la sol., această diferență de tensiune se cuplează capacitiv în electrozi, făcând partea de zgomot presupus ecranată a măsurătorii. Din acest motiv, conectați întotdeauna o cușcă Faraday la solul instrumentului. Marea majoritate ar trebui să aibă, de asemenea, potențialul lor pământ. Cu unele potențiostate, acest lucru este implicit, dar pentru potențiostatele proiectate să funcționeze cu sol plutitor, la fel ca toate modelele Gamry, acest lucru se face separat.

pământ-împământare nu este întotdeauna o idee bună, cu toate acestea., Dacă faceți un experiment cu un electrod împământat, o cușcă Faraday vă poate ajuta, dar nu dacă este legată de același pământ. Dacă doriți să utilizați un electrod împământat într—o cușcă Faraday, trebuie să vă asigurați că referința la sol Faraday cage și potentiostat—în timp ce sunt încă conectate din motivele menționate anterior-nu sunt împământate la pământ în acest caz, potențiostatul dvs. trebuie să fie capabil de funcționare la sol plutitor.

ce cușcă Faraday să folosească?

adevărul este că există o mică diferență în comportamentul de anulare a zgomotului între cuștile Faraday bine construite. Poate exista o mare diferență în cât de bine sau cu ușurință vă puteți conecta experimentele dvs. particulare. Este posibil să aveți nevoie de o cutie mare pentru a vă acomoda aparatul experimental sau porturile de intrare pentru a aduce gaze sau apă sau un material precum oțelul inoxidabil pentru a face față vaporilor și soluțiilor corozive., Poate doriți să vedeți ce se întâmplă sau să aveți cât mai multă lumină blocată posibil.în cele din urmă, o cutie de carton învelită în folie de aluminiu va oferi aceeași reducere a zgomotului ca o cutie solidă de aur de 24 de karate, cu condiția ca continuitatea fiecăruia să fie aceeași. Deci, folia de aluminiu funcționează ca o cușcă Faraday? Da. Desigur, cartonul nu este probabil cel mai robust material de utilizat, iar aurul solid ar fi de-a dreptul prost, dar veți obține punctul.

Figura 2., Deci, care este cel mai bun material pentru o cușcă Faraday?rama din lemn și Plasa de cupru sau aluminiu sunt comune pentru cușca Faraday construită acasă. Cutiile metalice solide sunt alegeri bune, dar dacă nu cumpărați unul special conceput pentru o ecranare electronică bună, acordați o atenție deosebită marginilor ușilor și asigurați-vă că există un contact electric bun între părți.

atenție pentru cuștile Faraday

există momente în care experimentatorii trebuie să aibă grijă de cuștile Faraday., Uneori, atunci când lucrați cu semnale mici, se dezvoltă o capacitate vizibilă de rătăcire între celula electrochimică din interiorul cuștii și peretele cuștii Faraday. Mai jos puteți vedea discontinuități de vagabonzi capacitate pe o foarte mică EIS semnal în interiorul o cușcă Faraday:

Figura 3. EIS cu discontinuități cauzate de capacitatea rătăcită din cușca Faraday.acest fenomen este uneori observat cu eșantioane mari, plate, paralele cu podeaua cuștii Faraday., Acest efect apare chiar ocazional folosind celula noastră de calibrare din interiorul scutului de calibrare!pentru a minimiza capacitatea rătăcită între eșantion și cușca Faraday, mutați eșantionul departe de pereți spre centrul cuștii. Susțineți eșantionul de pe podeaua cuștii folosind un obiect neconductor (de exemplu, bloc de lemn, manual).

rezumat

utilizați o cușcă Faraday ori de câte ori experimentul dvs. permite, în special atunci când măsurați curenți sub ~1 µA sau impedanțe peste ~105 Ω., A se asigura că aceasta este întemeiată în mod corespunzător: pentru Gamry utilizatorii care înseamnă conecta plutitoare-sol duce la cușca Faraday, și apoi, fie pe pământ-pământ potențiostatul prin nodul de masă, dacă se utilizează o serie de Referință, sau conectarea la pământ scurt-sol duce la sol plutitoare conduce pentru o Serie G.
atunci Când construirea sau cumpararea o cușcă Faraday, asigurați-vă că acesta va găzdui experimentele executați și că aveți spațiu pentru acesta. Nu uita despre cablu-de detensionare (inel-stea bar sau cravată-off-uri în interiorul cuștii) și acces pentru gaz și apă, precum și celula cablu(uri)., Dacă credeți că poate doriți să utilizați un agitator magnetic, evitați cuștile Faraday realizate cu materiale magnetice. Credem că este frumos să putem verifica conexiunile și să vedem ce se întâmplă în interior fără a rupe scutul, așa că avem o fereastră mare de sticlă cu o acoperire conductivă pe cușca noastră Vistashield Faraday.

experimentarea fericit!

D. T. Sawyer, A. Sobkowiak, și J. L. Roberts, Electrochimie pentru Chimiști, 2nd Ed., John Wiley & Sons, 1995, p. 79.