Faradayova klec

Elektrostatika patří na střední i základní škole k tradičně vyučovaným tématům. Přesto se s pojmem Faradayova klec v současných základoškolských ani středoškolských učebnicích fyziky [1-3] věnovaným právě elektřině a magnetismu žáci v podstatě nesetkají. Jistě, učí se o tom, že náboj se při přivedení na kouli rozmístí na povrchu a uvnitř žádný nenajdeme. Ale co nějaký konkrétní příklad? Vždyť s více či méně kvalitními verzemi Faradayovy klece se potkáváme dnes a denně.

Již na začátku 19. století si Angličan Michael Faraday povšiml, jakožto pravděpodobně i jiní před ním [4], že náboj přivedený na dutý vodič je rozmístěn pouze na jeho vnější straně a že ten nemá žádný vliv na předměty umístěné uvnitř. A jelikož byl i výborným demonstrátorem a popularizátorem vědy (viz [5]), postavil velký krychlový dřevěný rám (o straně 12 stop) a ten celý pokryl vodivým materiálem. Do této konstrukce si pak při jedné ze svých večerních veřejných přednášek sedl a nechal ji nabít až natolik, že bylo patrné, jak z ní létají jiskry, on sám však přitom uvnitř žádný efekt elektrického pole nepocítil a na vnitřní straně klece žádný náboj nedetekoval.

Již z té doby tedy víme, že náboj se na dutých předmětech typu dutá koule rozmisťuje pouze na povrchu a že intenzita elektrického pole uvnitř takového předmětu je nulová.

Skutečnost, že uvnitř dutého nabitého vodiče je elektrická intenzita nulová a potenciál stejný jako na povrchu není na první pohled zcela evidentní. Lze ji odvodit z Coulombova zákona. Tímto i experimentálním ověřením se zabývá článek Ověření Coulombova zákona (2. verze).

Následující text obsahuje jednoduché pokusy, související se základními jevy, se kterými si lidé Faradayovu klec nejčastěji spojují.

Faradayovou klecí rozumíme uzavřenou plochu tvořenou vodivým materiálem. Tímto materiálem může být například plech. Pěknou představou Faradayovy klece je tedy ještě neotevřená plechovka. Ukazuje se, že v jistém přiblížení lze za Faradayovu klec považovat i jiná tělesa – typickým příkladem je například klec vyrobená z drátové sítě, nebo například i automobil.

Většina pokusů s Faradayovou klecí na střední škole se točí kolem rozložení přivedeného elektrického náboje a zkoumání elektrického pole uvnitř a vně nabité klece.

Jedním z klasických školních pokusů je důkaz rozložení náboje pouze na vnější straně klece. Pokus je prováděn s válcovou drátěnou klecí (můžeme použít i plechovku), na niž jsou zvenku i zevnitř upevněny kousky hliníkové fólie, případně provázky s kousky polystyrénu na konci (viz např. [8]). Pokus lze provádět i s částí válcové plochy klece. Vždy docházíme ke stejnému výsledku – zavěšené papírky se vychylují pouze na vnější straně dutiny, kdežto na vnitřní zůstávají viset volně dolů. Z toho tedy vyvodíme, že náboje jsou pravděpodobně rozloženy pouze na vnější straně plochy, resp. je jich tu takové množství, že proužky fólie, které jistě nesou náboj stejné polarity, se díky elektrostatické odpudivé síle oddálí.

Následující obrázky zachycují jednoduchou Faradayovu klec, na níž (na 1. z vnějšku, na 2. a 3. i zevnitř) jsou připevněny pásky alobalu. Klec je připojena ke zdroji vysokého napětí, jehož hodnota se postupně měnila (zvětšovala) - což je indikováno vychylováním fólie na vnější straně klece.

Podobným pokusem ve větším provedení, který navíc kopíruje experiment provedený již samotným Faradayem, je pokus s tzv. klecí smrti [9]. Jde o to, že do velké drátěné klece posadíme dobrovolníka a tuto klec připojíme na vysoký potenciál. Opět můžeme pozorovat stejný jev jako při pokusu s hliníkovými proužky, zavěsíme-li je na klec. Přiblížením uzemněného vodiče navíc dochází k efektnímu přeskakování jisker, které je doprovázeno neméně poutavým praskáním. (Samozřejmě bychom mohli pokus uspořádat i opačně – uzemnit klec a přiblížit nabitý vodič, resp. vodič při-pojený k vysokému potenciálu.) Takovéto pokusy můžeme najít ve formě videí i na webovém portálu YouTube:

• Faraday Cage Protects from 100,000 V :: Physikshow Uni Bonn
• Tesla cage of death

Zajímavým pokusem, který má blízkou souvislost s praxí je stínění elektromagnetického pole právě pomocí Faradayovy klece. Zde se již nejedná o „jednoduchou“ elektrostatiku, ale máme co do činění s elektromagnetickým polem. V životě se můžeme setkat s množstvím více či méně dokonalých Faradayových klecí – jejich příklady najdeme například v populárním článku [8]. Autor se zde zabývá především stíněním signálu mobilního telefonu a uvádí příklady, kde může dojít k zeslabení jeho signálu. Správně uvádí, že délka elektromagnetických vln u telefonů GSM 900 je přibližně 33 cm a pro GSM 1800 poloviční, tj. přibližně 17 cm a rovněž tvrdí, že umístíme-li mobil do klece, v níž jsou otvory menší, než je vlnová délka, na nichž telefon komunikuje, pak dojde k zeslabení signálu telefonu.

Toto tvrzení jsme chtěli vyzkoušet. Umístili jsme tedy mobil do popsané Faradayovy klece. Výsledek můžeme vidět na následujících dvou obrázcích, kde jeden ukazuje celkovou situaci a druhý detail ukazatele signálu. Je patrné, že mobil má stále plný signál. Není tak problém se do klece dovolat. Jen není nikdo, kdo by hovor přijal.

Můžeme přemýšlet o tom, jak moc musíme klec zakrýt, aby se signál zeslabil natolik, aby telefon přestal být dostupný. Podařilo se nám zjistit, že i mobil umístěný ve velké plechovce zakryté volně položenou hliníkovou fólií je dostupný (zavoláme-li na něj, ozve se z plechovky vyzvánění). Necháme-li mobil vyzvánět a budeme-li utěsňovat mezery mezi fólií a plechovkou (osvědčila se nám guma) dojde ke ztrátě signálu a telefon, kterým voláme, bude hlásit, že volaný účastník je nedostupný. Situaci dokumentují dva následující obrázky a dvě pořízená videa.

[ Show Video ]

[ Hide Video ]

[ Show Video ]

[ Hide Video ]

Ukazuje se tedy, že situace není tak jednoduchá, jak by se mohlo na první pohled zdát, a že i hustá síť, dokonce i plechovka s malými dírkami signál propustí.

1. Rauner K. a kol., Fyzika 8, Fraus, Praha 2006, ISBN 80-7238-525-9.
2. Rauner K. a kol., Fyzika 9, Fraus, Praha 2007, ISBN 978-80-7238-617-8.
3. Lepil O., Šedivý P., Fyzika pro gymnázia, Elektřina a magnetismus, Prometheus, Praha 1998, ISBN 80-7196-088-8.
4. Faraday Cage, Wikipedia [online], dostupné na http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage [cit. 2010-08-31].
5. LAN B.L., LIM J.B.S., Michael Faraday: Prince of Lecturers in Victorian England, Physics Teacher, 2001, vol 39, No. 1, pp. 32-36.
6. KOCOURKOVÁ J., JERMÁŘ J., Faradayova klec, Videopokusy [online], dostupné na http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/POKUSY/FARADAY/INDEX.HTM. [cit. 2010-11-15]
7. Sprott J.C., Physics Demonstrations, 2006, Canada, ISBN 0-299-21580-6
8. SNÁŠEL J., Mobil v autě a Faradayova klec [online], dostupné na http://www.mobilmania.cz/clanky/mobil-v-aute-a-faradayova-klec/sc-3-a-1108499/default.aspx [cit. 2010-08-30].