Ecranarea electromagnetică

 (Cuști de ecranare electromagnetică în interiorul unui telefon mobil dezasamblat.)

Ecranarea electromagnetică este practica reducerii câmpului electromagnetic într-un spațiu prin blocarea acestuia cu bariere realizate din materiale conductoare sau magnetice. Ecranul este în mod obișnuit aplicat în incinte pentru izolarea dispozitivelor electrice de mediul înconjurător și a cablurilor pentru izolarea firelor de mediul în care funcționează cablul. Ecranul electromagnetic care blochează radiația electromagnetică de frecvență radio este, de asemenea, cunoscut sub numele de ecranare de radiofrecvenţă (RF).

Ecranul poate reduce cuplarea undelor radio, a câmpurilor electromagnetice și a câmpurilor electrostatice. O incintă conductoare utilizată pentru blocarea câmpurilor electrostatice este, de asemenea, cunoscută ca fiind o cușcă Faraday. Valoarea reducerii depinde în mare măsură de materialul utilizat, de grosimea sa, de dimensiunea volumului ecranat și de frecvența câmpurilor de interes, și de dimensiunea, forma și orientarea deschiderilor într-un ecran de protecție împotriva unui câmp electromagnetic incident.

Cum funcţionează

Radiația electromagnetică constă din câmpuri electrice și magnetice cuplate. Câmpul electric produce forțe asupra purtătorilor de sarcină (adică electroni) în interiorul conductorului. De îndată ce un câmp electric este aplicat pe suprafața unui conductor ideal, acesta induce un curent care determină deplasarea sarcinilor în interiorul conductorului care anulează câmpul aplicat în interior, moment în care curentul se oprește.

În mod similar, câmpurile magnetice variabile generează curenți turbionari care acționează pentru a anula câmpul magnetic aplicat. (Conductorul nu răspunde câmpurilor magnetice statice decât dacă conductorul se mișcă în raport cu câmpul magnetic.) Rezultatul este că radiația electromagnetică se reflectă pe suprafața conductorului: câmpurile interne rămân în interior și câmpurile externe rămân în afară.

Mai mulți factori servesc la limitarea capacității de ecranare a ecranelor reale RF. Unul este că, datorită rezistenței electrice a conductorului, câmpul excitat nu anulează complet câmpul incident. De asemenea, majoritatea conductorilor prezintă un răspuns feromagnetic la câmpurile magnetice de joasă frecvență, astfel încât astfel de câmpuri nu sunt complet atenuate de conductor. Orice găuri din ecranare forțează curentul să curgă în jurul lor, astfel încât câmpurile care trec prin găuri să nu excite câmpurile electromagnetice opuse. Aceste efecte reduc capacitatea de reflectare a ecranului.

În cazul radiațiilor electromagnetice de înaltă frecvență, ajustările menționate mai sus necesită o perioadă de timp neglijabilă, totuși, orice astfel de energie radiativă, în măsura în care nu este reflectată, este absorbită de suprafaţă (dacă nu este extrem de subțire) , deci în acest caz nu există niciun câmp electromagnetic în interior. Acesta este un aspect al unui fenomen mai mare numit efectul pelicular. O măsură a adâncimii la care radiația poate penetra ecranul este așa numita adâncime peliculară.

Ecranarea magnetică

Uneori, echipamentul necesită izolarea de câmpurile magnetice externe. În cazul câmpurilor magnetice statice sau variabile lent (sub 100 kHz), ecranarea Faraday descrisă mai sus este ineficientă. În aceste cazuri, pot fi utilizate ecrane din aliaje metalice cu permeabilitate ridicată magnetice, cum ar fi foi de permalloy și mu-metal, sau cu acoperiri metalice feromagnetice cu structură granulată nanocristalină. Aceste materiale nu blochează câmpul magnetic, ca în cazul ecranării electrice, ci trag câmpul în ele însele, oferind o cale pentru liniile câmpului magnetic în jurul volumului ecranat. Cea mai bună formă pentru ecranele magnetice este astfel un container închis care înconjoară volumul ecranat. Eficacitatea acestui tip de ecranare depinde de permeabilitatea materialului, care, în general, scade atât la intensitățile câmpului magnetic foarte mici, cât și la intensitățile mari ale câmpului în care materialul devine saturat. Deci, pentru a obține câmpuri reziduale reduse, ecranele magnetice sunt adesea alcătuite din mai multe incinte în interiorul celeilalte, fiecare dintre acestea reducând succesiv câmpul din interiorul acestuia.

Datorită limitărilor de ecranare pasivă de mai sus, o alternativă utilizată cu câmpuri statice sau cu frecvență joasă este ecranarea activă; folosind un câmp creat de electromagneți pentru a anula câmpul ambiental în cadrul unui volum. Solenoizii și bobinele Helmholtz sunt tipuri de bobine care pot fi utilizate în acest scop.

În plus, materialele supraconductoare pot elimina câmpurile magnetice prin efectul Meissner.

Materiale folosite

Materialele tipice utilizate pentru ecranare electromagnetică includ tabla, ecrane metalice și spuma metalică. Orice găuri în ecran sau în plasă trebuie să fie semnificativ mai mici decât lungimea de undă a radiației care este ținută afară, altfel incinta nu va aproxima efectiv o suprafață conductivă neîntreruptă.

O altă metodă de ecranare folosită în mod obișnuit, în special pentru produsele electronice în carcase din plastic, este de a acoperi interiorul incintei cu o cerneală metalică sau un material similar. Cerneala constă dintr-un material purtător încărcat cu un metal adecvat, de obicei cupru sau nichel, sub formă de particule foarte mici. Este pulverizat pe carcasă și, odată uscat, produce un strat conductiv continuu de metal, care poate fi conectat electric la solul șasiului echipamentului, asigurând astfel o ecranare eficientă.

Îngrădirile de ecranare RF filtrează o gamă de frecvențe pentru anumite condiții. Cuprul este utilizat pentru ecranarea de radiofrecvență (RF) deoarece absoarbe undele radio și electromagnetice. Ecranele de protecție RF din cupru proiectate și construite îndeplinesc cele mai multe cerințe de ecranare RF, de la calculatoare şi spații de comutare electrice la facilităţi de tomografie computerizată și imagistică prin rezonanță magnetică din spitale.

Exemplu de aplicații

(Secțiune transversală printr-un cablu coaxial care prezintă ecranare și alte straturi. )

Un exemplu este un cablu ecranat, care are ecranare electromagnetică sub forma unei plase de sârmă care înconjoară un conductor interior. Ecranul împiedică scăparea oricărui semnal din conductorul de bază și, de asemenea, împiedică intrarea de semnale în conductorul de bază. Unele cabluri au două ecrane coaxiale separate, unul conectat la ambele capete, celălalt la celălalt capăt, pentru a maximiza ecranarea câmpurilor electromagnetice și electrostatice.

Ușa unui cuptor cu microunde are un ecran construit în fereastră. Din perspectiva microundelor (cu lungimi de undă de 12 cm), acest ecran este o cușcă Faraday formată din carcasa metalică a cuptorului. Luminile vizibile, cu lungimi de undă cuprinse între 400 nm și 700 nm, trec ușor prin găurile ecranului.

De asemenea, ecranarea RF este utilizată pentru a împiedica accesul la datele stocate pe cipuri RFID încorporate în diferite dispozitive, cum ar fi pașapoartele biometrice.

NATO foloseşte ecranarea electromagnetică pentru computere și tastaturi pentru a împiedica monitorizarea pasivă a emisiilor de la tastatură care ar permite capturarea parolelor; tastatura de consum nu oferă această protecție în primul rând din cauza costurilor prohibitive.

De asemenea, protecția prin radiofrecvență este utilizată pentru a proteja echipamente medicale și de laborator pentru a asigura protecție împotriva semnalelor de interferență, inclusiv AM, FM, TV, servicii de urgență, expediere, pagere, ESMR, celulare și PCS. Poate fi folosită și pentru a proteja echipamentul de la posturile de emisie AM, FM sau TV.