Κλωβός Φαραντέι

Επίδειξη κλωβού Φαραντέι σε εθελοντές στο Παλαί ντε λα Ντεκουβέρτ στο Παρίσι.

Θωράκιση γύρω από ένα μηχανοστάσιο μαγνητικού τομογράφου.

Ασπίδα Φαραντέι σε εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας στο Χάιμπαχ, Γερμανία.

Ένας κλωβός Φαραντέι ή ασπίδα Φαραντέι είναι ένα περίβλημα που χρησιμοποιείται για να μπλοκάρει τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Μια ασπίδα Φαραντέι μπορεί να σχηματιστεί από ένα συνεχές κάλυμμα αγώγιμου υλικού, ή στην περίπτωση ενός κλωβού Φαραντέι, από ένα πλέγμα τέτοιων υλικών. Οι κλωβοί Φαραντέι πήραν το όνομά τους από τον Άγγλο επιστήμονα Μάικλ Φαραντέι, ο οποίος τα εφηύρε το 1836.

Ένας κλωβός Φαραντέι λειτουργεί επειδή ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο αναγκάζει τα ηλεκτρικά φορτία μέσα στο αγώγιμο υλικό του κλουβιού να κατανεμηθούν έτσι ώστε να ακυρώσουν την επίδραση του πεδίου στο εσωτερικό του κλουβιού. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται για την προστασία ευαίσθητου ηλεκτρονικού εξοπλισμού (για παράδειγμα δέκτες ραδιοσυχνοτήτων) από εξωτερικές παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων (RFI) συχνά κατά τη διάρκεια της δοκιμής ή της ευθυγράμμισης της συσκευής. Χρησιμοποιούνται επίσης για την προστασία ανθρώπων και εξοπλισμού από πραγματικά ηλεκτρικά ρεύματα, όπως κεραυνούς και ηλεκτροστατικές εκκενώσεις, καθώς ο κλωβός που περικλείει μεταφέρει ρεύμα γύρω από το εξωτερικό του κλειστού χώρου και έτσι το ηλεκτρικό ρεύμα δεν περνά μέσα από το εσωτερικό.

Οι κλωβοί Φαραντέι δεν μπορούν να μπλοκάρουν σταθερά ή αργά μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία, όπως το μαγνητικό πεδίο της Γης (μια πυξίδα θα εξακολουθεί να λειτουργεί μέσα). Σε μεγάλο βαθμό, όμως, προστατεύουν το εσωτερικό από την εξωτερική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εάν ο αγωγός είναι αρκετά παχύς και τυχόν οπές είναι σημαντικά μικρότερες από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Παρέχουν μικρότερη εξασθένιση των εξερχόμενων εκπομπών από τις εισερχόμενες: μπορούν να μπλοκάρουν τα κύματα EMP από φυσικά φαινόμενα πολύ αποτελεσματικά, αλλά μια συσκευή παρακολούθησης, ειδικά στις ανώτερες συχνότητες, μπορεί να μπορεί να διεισδύσει μέσα από το κλουβί (π.χ. ορισμένα κινητά τηλέφωνα λειτουργούν σε διάφορες ραδιοσυχνότητες, έτσι ενώ μια συχνότητα μπορεί να μην λειτουργεί, μια άλλη θα λειτουργεί).

Η λήψη ή η μετάδοση ραδιοκυμάτων, μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, προς ή από μια κεραία εντός ενός κλωβού Φαραντέι είναι πολύ εξασθενημένη ή μπλοκαρισμένη από τον κλωβό. Ωστόσο, ένας κλωβός Φαραντέι έχει ποικίλη εξασθένηση ανάλογα με τη μορφή κύματος, τη συχνότητα ή την απόσταση από τον δέκτη/πομπό και την ισχύ του δέκτη/πομπού. Οι μεταδόσεις συχνότητας κοντινού πεδίου, υψηλής ισχύος, όπως το HF RFID, είναι πιο πιθανό να διεισδύσουν. Οι συμπαγείς κλωβοί γενικά εξασθενούν πεδία σε ένα ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων από τους κλωβούς πλέγματος.

Ιστορία

Το 1836, ο Άγγλος Μάικλ Φαραντέι παρατήρησε ότι το επιπλέον φορτίο ενός φορτισμένου αγωγού βρισκόταν μόνο στο εξωτερικό του και δεν είχε καμία επίδραση σε οτιδήποτε περικλείεται μέσα του. Για να αποδείξει αυτό το γεγονός, έχτισε ένα δωμάτιο επικαλυμμένο με μεταλλικό φύλλο και επέτρεψε σε εκκενώσεις υψηλής τάσης από μια ηλεκτροστατική γεννήτρια να χτυπήσουν το εξωτερικό του δωματίου. Χρησιμοποίησε ένα ηλεκτροσκόπιο για να δείξει ότι δεν υπήρχε ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό των τοίχων του δωματίου.

Παρόλο που αυτό το φαινόμενο του κλωβού έχει αποδοθεί στα περίφημα πειράματα του Μάικλ Φαραντέι σε δοχεία πάγου που έγιναν το 1843, ήταν ο Βενιαμίν Φραγκλίνος το 1755 που παρατήρησε το φαινόμενο χαμηλώνοντας μια αφόρτιστη μπάλα φελλού κρεμασμένη σε ένα μεταξωτό νήμα μέσα από ένα άνοιγμα σε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο μεταλλικό κουτί. Σύμφωνα με τα λόγια του, «ο φελλός δεν έλκονταν από το εσωτερικό του δοχείου όπως θα ήταν προς τα έξω, και παρόλο που άγγιζε τον πάτο, ωστόσο όταν τραβήχτηκε δεν βρέθηκε να ηλεκτρίζεται (φορτίζεται) από αυτό το άγγιγμα, όπως θα ήταν αγγίζοντας το εξωτερικό. Το γεγονός είναι μοναδικό». Ο Φραγκλίνος είχε ανακαλύψει τη συμπεριφορά αυτού που τώρα αποκαλούμε κλωβό ή ασπίδα Φαραντέι.

Επιπλέον, το 1754 ο Αββάς Νολέ δημοσίευσε μια πρώιμη περιγραφή ενός αποτελέσματος που αποδίδεται στο φαινόμενο του κλουβιού στο Leçons de physique Expérimentale.

Λειτουργία

Κινούμενο σχέδιο που δείχνει πώς λειτουργεί ένας κλωβός (κουτί) Φαραντέι. Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο (βέλη), τα ηλεκτρόνια (μικρές μπάλες) στο μέταλλο μετακινούνται στην αριστερή πλευρά του κλωβού, δίνοντάς του αρνητικό φορτίο, ενώ το υπόλοιπο μη ισορροπημένο φορτίο των πυρήνων δίνει στη δεξιά πλευρά θετικό φορτίο. Αυτά τα επαγόμενα φορτία δημιουργούν ένα αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο που ακυρώνει το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο σε όλο το κουτί.

Μια συνεχής ασπίδα Φαραντέι είναι ένας κοίλος αγωγός. Τα εξωτερικά ή εσωτερικά εφαρμοζόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία παράγουν δυνάμεις στους φορείς φορτίου (συνήθως ηλεκτρόνια) εντός του αγωγού. Τα φορτία ανακατανέμονται ανάλογα λόγω ηλεκτροστατικής επαγωγής. Τα ανακατανεμημένα φορτία μειώνουν σημαντικά την τάση εντός της επιφάνειας, σε βαθμό ανάλογα με την χωρητικότητα. Ωστόσο, δεν υπάρχει πλήρης ακύρωση. 

Εάν ένα φορτίο τοποθετηθεί μέσα σε μια μη γειωμένη ασπίδα Φαραντέι χωρίς να αγγίξει τους τοίχους (ας υποδηλώσουμε αυτήν την ποσότητα φόρτισης ως +Q), η εσωτερική όψη της θωράκισης φορτίζεται με -Q, οδηγώντας σε γραμμές πεδίου που ξεκινούν από το φορτίο και επεκτείνονται στα φορτία στο εσωτερικό την εσωτερική επιφάνεια του μετάλλου. Οι διαδρομές των γραμμών πεδίου σε αυτόν τον εσωτερικό χώρο (προς τα αρνητικά φορτία τελικού σημείου) εξαρτώνται από το σχήμα των εσωτερικών τοιχωμάτων περιορισμού. Ταυτόχρονα +Q συσσωρεύεται στην εξωτερική επιφάνεια της ασπίδας. Η κατανομή των φορτίων στην εξωτερική επιφάνεια δεν επηρεάζεται από τη θέση του εσωτερικού φορτίου μέσα στο περίβλημα, αλλά μάλλον καθορίζεται από το σχήμα της εξωτερικής όψης. Έτσι, για όλες τις προθέσεις και σκοπούς, η ασπίδα Faraday παράγει το ίδιο στατικό ηλεκτρικό πεδίο στο εξωτερικό που θα δημιουργούσε εάν το μέταλλο φορτιζόταν απλώς με +Q. Σημειώστε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν είναι στατικά φορτία.

Η αποτελεσματικότητα της θωράκισης ενός στατικού ηλεκτρικού πεδίου είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητη από τη γεωμετρία του αγώγιμου υλικού. Ωστόσο, τα στατικά μαγνητικά πεδία μπορούν να διεισδύσουν πλήρως στην ασπίδα.

Στην περίπτωση των μεταβαλλόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, όσο πιο γρήγορες είναι οι διακυμάνσεις (δηλαδή, όσο υψηλότερες είναι οι συχνότητες), τόσο καλύτερα το υλικό αντιστέκεται στη διείσδυση του μαγνητικού πεδίου. Στην περίπτωση αυτή η θωράκιση εξαρτάται επίσης από την ηλεκτρική αγωγιμότητα, τις μαγνητικές ιδιότητες των αγώγιμων υλικών που χρησιμοποιούνται στους κλωβούς, καθώς και από το πάχος τους.

Οι κλωβοί Φαραντέι είναι ασπίδες Φαραντέι που έχουν τρύπες και επομένως η ανάλυσή τους είναι πιο περίπλοκη. Ενώ οι συνεχείς ασπίδες ουσιαστικά εξασθενούν όλα τα μήκη κύματος μικρότερα από το βάθος του δέρματος, οι τρύπες σε ένα κλουβί μπορεί να επιτρέψουν σε μικρότερα μήκη κύματος να περάσουν ή να δημιουργήσουν «παροδικά πεδία» (ταλαντευόμενα πεδία που δεν διαδίδονται ως ΗΜ κύματα) ακριβώς πέρα από την επιφάνεια. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο καλύτερα περνά μέσα από ένα πλέγμα δεδομένου μεγέθους. Έτσι, για να λειτουργήσει καλά σε μικρά μήκη κύματος (δηλαδή, υψηλές συχνότητες), οι οπές στον κλωβό πρέπει να είναι μικρότερες από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος κύματος.

Παραδείγματα

Το Συγκρότημα εκτοξεύσεων 40 με υποδομή εκτόξευσης για τον Falcon 9 της SpaceX. Οι τέσσερις πύργοι που περιβάλλουν τον πύραυλο είναι αλεξικέραυνα, που λειτουργούν σαν ένας γιγάντιος κλωβός Φαραντέι.

Αναπαράσταση πτώσης κεραυνού σε αυτοκίνητο.

• Οι κλωβοί Φαραντέι χρησιμοποιούνται συνήθως στην αναλυτική χημεία για τη μείωση του θορύβου ενώ γίνονται ευαίσθητες μετρήσεις.
• Οι κλωβοί Φαραντέι, πιο συγκεκριμένα οι τσάντες Φαραντέι με διπλή ζεύγη ραφών, χρησιμοποιούνται συχνά στην ψηφιακή εγκληματολογία για την αποφυγή απομακρυσμένης διαγραφής και τροποποίησης εγκληματικών ψηφιακών αποδεικτικών στοιχείων.
• Τα πρότυπα Tempest των ΗΠΑ και του ΝΑΤΟ, και παρόμοια πρότυπα σε άλλες χώρες, περιλαμβάνουν κλωβούς Φαραντέι ως μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας παροχής ασφάλειας εκπομπών για υπολογιστές.
• Οι χώροι επιβατών αυτοκινήτων και αεροπλάνων είναι ουσιαστικά κλωβοί Φαραντέι, προστατεύοντας τους επιβάτες από ηλεκτρικά φορτία, όπως κεραυνούς. Ωστόσο, είναι απαραίτητο να τονιστεί ότι στα αυτοκίνητα καμπριολέ και σε όσα έχουν εξωτερικά πάνελ από πλαστικό δεν υφίσταται το φαινόμενο και, κατά συνέπεια, τα μοντέλα αυτά δεν προσφέρουν αντικεραυνική προστασία.
• Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε αυτοκίνητα και αεροσκάφη χρησιμοποιούν κλωβούς Φαραντέι για την προστασία των σημάτων από παρεμβολές. Τα ευαίσθητα εξαρτήματα μπορεί να περιλαμβάνουν ασύρματες κλειδαριές θυρών, συστήματα πλοήγησης / GPS και συστήματα προειδοποίησης παρέκκλισης από τη λωρίδα κυκλοφορίας. Τα κλουβιά και οι ασπίδες Φαραντέι είναι επίσης κρίσιμα για τα συστήματα ενημέρωσης και ψυχαγωγίας οχημάτων (π.χ. μονάδες οθόνης, ραδιόφωνο, Wi-Fi και GPS), τα οποία μπορεί να έχουν σχεδιαστεί με τη δυνατότητα να λειτουργούν ως κρίσιμα κυκλώματα σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης.
• Μια ενισχυτική τσάντα (τσάντα αγορών με επένδυση από αλουμινόχαρτο) λειτουργεί ως κλωβός Φαραντέι. Χρησιμοποιείται συχνά από κλέφτες καταστημάτων για να κλέψουν αντικείμενα με ετικέτα RFID.
• Ανελκυστήρες και άλλα δωμάτια με μεταλλικά αγώγιμα πλαίσια και τοίχους προσομοιώνουν ένα φαινόμενο κλωβού Φαραντέι, οδηγώντας σε απώλεια σήματος και «νεκρές ζώνες» για χρήστες κινητών τηλεφώνων, ραδιοφώνων και άλλων ηλεκτρονικών συσκευών που απαιτούν εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά σήματα. Κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσης, οι πυροσβέστες και οι άλλοι ανταποκριτές προειδοποιούνται ότι τα αμφίδρομα ραδιόφωνά τους πιθανότατα δεν θα λειτουργούν μέσα σε ανελκυστήρες και ότι να λάβουν υπόψη αυτό. Μικροί, φυσικοί κλωβοί Φαραντέι χρησιμοποιούνται από μηχανικούς ηλεκτρονικών κατά τη διάρκεια δοκιμών εξοπλισμού για την προσομοίωση ενός τέτοιου περιβάλλοντος για να βεβαιωθούν ότι η συσκευή λειτουργεί σωστά σε αυτές τις συνθήκες.
• Τα σωστά σχεδιασμένα αγώγιμα ρούχα μπορούν επίσης να σχηματίσουν ένα προστατευτικό κλουβί Φαραντέι. Μερικοί ηλεκτρολόγοι φορούν κοστούμια Φαραντέι, που τους επιτρέπουν να εργάζονται σε ηλεκτροφόρα καλώδια υψηλής τάσης χωρίς κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Η στολή εμποδίζει το ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσα από το σώμα και δεν έχει θεωρητικό όριο τάσης.
• Το δωμάτιο σάρωσης ενός μηχανήματος απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) έχει σχεδιαστεί ως κλωβός Φαραντέι. Αυτό αποτρέπει την προσθήκη εξωτερικών σημάτων στα δεδομένα που συλλέγονται από τον ασθενή, τα οποία θα μπορούσαν να επηρεάσουν την εικόνα που προκύπτει. Οι τεχνολόγοι εκπαιδεύονται να αναγνωρίζουν τα χαρακτηριστικά αντικείμενα που δημιουργούνται σε εικόνες σε περίπτωση που ο κλωβός Φαραντέι υποστεί ζημιά, όπως κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας.
• Ένας φούρνος μικροκυμάτων χρησιμοποιεί ένα μερικό κλουβί Φαραντέι (στις πέντε από τις έξι πλευρές του εσωτερικού του) και μια ασπίδα Φαραντέι, που αποτελείται από ένα συρμάτινο πλέγμα, στην έκτη πλευρά (το διαφανές παράθυρο), για να συγκρατήσει την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μέσα στο φούρνο και να προστατεύσει το χρήστη από την έκθεση στην ακτινοβολία μικροκυμάτων.
• Πλαστικές σακούλες που είναι εμποτισμένες με μέταλλο χρησιμοποιούνται για να περικλείουν ηλεκτρονικές συσκευές είσπραξης διοδίων όποτε δεν πρέπει να χρεώνονται διόδια σε αυτές τις συσκευές, όπως κατά τη μεταφορά ή όταν ο χρήστης πληρώνει μετρητά.
• Η θωράκιση ενός θωρακισμένου καλωδίου, όπως τα καλώδια USB ή το ομοαξονικό καλώδιο που χρησιμοποιείται για την καλωδιακή τηλεόραση, προστατεύει τους εσωτερικούς αγωγούς από εξωτερικούς ηλεκτρικούς θορύβους και αποτρέπει τη διαρροή των ραδιοσημάτων.
• Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε ορισμένα μουσικά όργανα, όπως σε μια ηλεκτρική κιθάρα, προστατεύονται από κλωβούς Φαραντέι κατασκευασμένους από φύλλα χαλκού ή αλουμινίου που προστατεύουν τα ηλεκτρομαγνητικά εξαρτήματα του οργάνου από παρεμβολές από ηχεία, ενισχυτές, φώτα σκηνής και άλλο μουσικό εξοπλισμό.
• Ορισμένα κτίρια, όπως οι φυλακές, κατασκευάζονται ως κλωβούς Φαραντέι, επειδή έχουν λόγους να εμποδίζουν τόσο τις εισερχόμενες όσο και τις εξερχόμενες κλήσεις κινητών από κρατούμενους.

Βιβλιογραφία

• Literatur|Autor = Adolf J. Schwab|Titel = Elektromagnetische Verträglichkeit|Verlag = Springer | Jahr = 1996 | Auflage = 4. | ISBN = 3-540-60787-0.
• Richard P. Feynman, Robert B. Leigthon, Matthew Sands. «The Feynman Lectures on Physics». Application of Gauss' Law. Addison-Wesley. Reading, Massachusetts, 1964, https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_05.html.