تظاهرات قفس فارادی بر روی داوطلبان در کاخ د لا دکوورت پاریس

محافظت EMI در اطراف اتاق دستگاه MRI

سپر فارادی در یک نیروگاه در هایمباخ آلمان

کیف فارادی

کیف های فارادی نوعی قفس فارادی هستند که از پارچه فلزی انعطاف پذیر ساخته شده اند. آنها معمولاً برای جلوگیری از پاک کردن از راه دور یا تغییر دستگاه های بی سیم بازیابی شده در تحقیقات جنایی استفاده می شوند، اما ممکن است توسط عموم مردم برای محافظت در برابر سرقت داده ها یا افزایش حریم خصوصی دیجیتال استفاده شوند .

قفس فارادی یا سپر فارادی محفظه ای است که برای مسدود کردن میدان های الکترومغناطیسی استفاده می شود . سپر فارادی ممکن است با پوشش مداوم مواد رسانا ، یا در مورد قفس فارادی، توسط شبکه ای از این مواد تشکیل شود. قفس های فارادی به افتخار دانشمند مایکل فارادی ، که برای اولین بار در سال 1836 قفس را ساخت، نامگذاری شده است.

ویدئویی از قفس فارادی که از یک مرد در برابر برق محافظت می کند

قفس فارادی به این دلیل عمل می‌کند که یک میدان الکتریکی خارجی باعث می‌شود بارهای الکتریکی درون مواد رسانای قفس توزیع شوند تا اثر میدان را در داخل قفس لغو کنند. این پدیده برای محافظت از تجهیزات الکترونیکی حساس (به عنوان مثال گیرنده های RF ) در برابر تداخل فرکانس رادیویی خارجی (RFI) اغلب در حین آزمایش یا تراز کردن دستگاه استفاده می شود. آنها همچنین برای محافظت از افراد و تجهیزات در برابر جریان های الکتریکی مانند صاعقه و تخلیه الکترواستاتیک استفاده می شوند ، زیرا قفس محصور جریان را در اطراف خارج از فضای بسته هدایت می کند و هیچ کدام از داخل آن عبور نمی کند.

قفس‌های فارادی نمی‌توانند میدان‌های مغناطیسی پایدار یا به آرامی متغیر مانند میدان مغناطیسی زمین را مسدود کنند ( قفس‌نما همچنان در داخل آن کار می‌کند). با این حال، اگر هادی به اندازه کافی ضخیم باشد و هر سوراخی به طور قابل توجهی کوچکتر از طول موج تابش باشد، تا حد زیادی از داخل در برابر تابش الکترومغناطیسی خارجی محافظت می کنند. برای مثال، برخی از روش‌های تست پزشکی قانونی کامپیوتری سیستم‌های الکترونیکی که به محیطی عاری از تداخل الکترومغناطیسی نیاز دارند ، می‌توانند در یک اتاق غربال‌شده انجام شوند. این اتاق ها فضاهایی هستند که به طور کامل توسط یک یا چند لایه شبکه فلزی ظریف یا ورق فلزی سوراخ دار محصور شده اند. لایه‌های فلزی برای از بین بردن جریان‌های الکتریکی تولید شده از میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی یا داخلی به زمین متصل می‌شوند و بنابراین مقدار زیادی از تداخل الکترومغناطیسی را مسدود می‌کنند. محافظ الکترومغناطیسی را نیز ببینید . آنها تضعیف کمتری در ارسال های خروجی نسبت به ورودی ارائه می کنند: آنها می توانند امواج پالس الکترومغناطیسی (EMP) را از پدیده های طبیعی به طور بسیار مؤثری مسدود کنند، اما به خصوص در فرکانس های بالا، یک دستگاه ردیاب ممکن است بتواند از داخل قفس نفوذ کند (به عنوان مثال، برخی از تلفن های همراه کار می کنند. در فرکانس های رادیویی مختلف، بنابراین در حالی که ممکن است یک فرکانس کار نکند، فرکانس دیگری کار خواهد کرد).

دریافت یا انتقال امواج رادیویی ، شکلی از تشعشعات الکترومغناطیسی ، به یا از یک آنتن در قفس فارادی به شدت توسط قفس ضعیف یا مسدود شده است. با این حال، یک قفس فارادی بسته به شکل موج، فرکانس، یا فاصله از گیرنده یا فرستنده، و قدرت گیرنده یا فرستنده، میرایی متفاوتی دارد. انتقال فرکانس میدان نزدیک و پرقدرت مانند HF RFID احتمال نفوذ بیشتری دارد. قفس‌های جامد معمولاً میدان‌ها را در محدوده وسیع‌تری از فرکانس‌ها نسبت به قفس‌های مش تضعیف می‌کنند.

تاریخچه [ ویرایش ]

در سال 1836، مایکل فارادی مشاهده کرد که بار اضافی در یک هادی باردار فقط در قسمت بیرونی آن قرار دارد و هیچ تأثیری بر هیچ چیز محصور در داخل آن ندارد. برای نشان دادن این واقعیت، او اتاقی با پوشش فلزی ساخت و اجازه داد تخلیه های ولتاژ بالا از یک ژنراتور الکترواستاتیک به بیرون اتاق برخورد کند. او با استفاده از یک الکتروسکوپ نشان داد که هیچ بار الکتریکی در داخل دیوارهای اتاق وجود ندارد. اگرچه این اثر قفس به آزمایش‌های معروف سطل یخ مایکل فارادی که در سال 1843 انجام شد نسبت داده می‌شود ، اما این انتساب نادرست است.

در سال 1755، بنجامین فرانکلین این اثر را با پایین آوردن یک توپ چوب پنبه‌ای بدون بار که روی نخ ابریشم آویزان شده بود، از طریق سوراخ در یک قوطی فلزی با بار الکتریکی مشاهده کرد. فرانکلین نوشت: "چوب پنبه مانند بیرون قوطی به داخل قوطی جذب نمی شد، و با وجود اینکه کف آن را لمس می کرد، اما وقتی بیرون کشیده شد، مشخص نشد که با آن لمس برق (شارژ) شده است. همانطور که با لمس بیرون انجام می شد. واقعیت منحصر به فرد است." فرانکلین رفتار چیزی را که ما اکنون از آن به عنوان قفس یا سپر فارادی یاد می کنیم، کشف کرده بود (بر اساس آزمایشات بعدی فارادی که چوب پنبه و قوطی فرانکلین را تکرار کرد). [2]

علاوه بر این، در سال 1754، ژان آنتوان نولت گزارش اولیه اثری را که به اثر قفس نسبت داده می شود در Leçons de physique Expérimentale خود منتشر کرد . [3] او همچنین به عنوان آبه نولت شناخته می شد.

عملیات [ ویرایش ]

انیمیشنی که نشان می دهد قفس (جعبه) فارادی چگونه کار می کند. هنگامی که یک میدان الکتریکی خارجی (فلش ها) اعمال می شود، الکترون ها (توپ های کوچک) در فلز به سمت چپ قفس حرکت می کنند و به آن بار منفی می دهند، در حالی که بار نامتعادل باقی مانده هسته ها به سمت راست یک بار مثبت می دهد. . این بارهای القایی یک میدان الکتریکی مخالف ایجاد می کند که میدان الکتریکی خارجی را در سراسر جعبه خنثی می کند.

پیوسته [ ویرایش ]

سپر فارادی پیوسته یک هادی توخالی است. میدان های الکترومغناطیسی اعمال شده خارجی یا داخلی نیروها را بر حامل های بار (معمولاً الکترون ها) در هادی ایجاد می کند. بارها به دلیل القای الکترواستاتیکی دوباره توزیع می شوند . بارهای توزیع مجدد تا حد زیادی ولتاژ داخل سطح را تا حدی بسته به ظرفیت خازن کاهش می دهد. با این حال، لغو کامل رخ نمی دهد. [4]

هزینه های داخلی [ ویرایش ]

اگر شارژ +Q بدون تماس با دیواره ها در داخل یک سپر فارادی زمین نشده قرار گیرد، وجه داخلی سپر با -Q شارژ می شود که منجر به خطوط میدانی می شود که از بار منشا گرفته و به بارهای داخل سطح داخلی فلز گسترش می یابد. مسیرهای خط میدان در این فضای داخلی (تا بارهای منفی نقطه پایانی) به شکل دیوارهای محفظه داخلی بستگی دارد. به طور همزمان +Q در سطح بیرونی سپر جمع می شود. پخش بارها در وجه خارجی تحت تأثیر موقعیت بار داخلی در داخل محفظه قرار نمی گیرد، بلکه بیشتر توسط شکل وجه خارجی تعیین می شود. بنابراین برای همه مقاصد، سپر فارادی همان میدان الکتریکی ساکن را در خارج ایجاد می کند که اگر فلز به سادگی با Q شارژ شود، ایجاد می کند. برای مثال، برای جزئیات بیشتر در مورد خطوط میدان الکتریکی و جداسازی بیرون از داخل، آزمایش سطل یخ فارادی را ببینید . توجه داشته باشید که امواج الکترومغناطیسی بارهای ساکن نیستند.

اگر قفس به زمین متصل شود ، بارهای اضافی خنثی می شوند زیرا اتصال زمین یک پیوند متساوی پتانسیل بین بیرون قفس و محیط ایجاد می کند، بنابراین بین آنها ولتاژ وجود ندارد و در نتیجه میدانی نیز وجود ندارد. وجه داخلی و بار درونی یکسان باقی می‌مانند، بنابراین میدان در داخل نگه داشته می‌شود.

فیلدهای خارجی [ ویرایش ]

عمق پوست در برابر فرکانس برای برخی مواد در دمای اتاق، خط عمودی قرمز نشان دهنده فرکانس 50 هرتز است:

اثربخشی محافظت از میدان الکتریکی ساکن تا حد زیادی مستقل از هندسه مواد رسانا است. با این حال، میدان های مغناطیسی ساکن می توانند به طور کامل به سپر نفوذ کنند.

در مورد میدان‌های الکترومغناطیسی متغیر، هرچه تغییرات سریع‌تر باشد (یعنی فرکانس‌ها بالاتر)، ماده بهتر در برابر نفوذ میدان مغناطیسی مقاومت می‌کند. در این مورد، محافظ همچنین به هدایت الکتریکی ، خواص مغناطیسی مواد رسانای مورد استفاده در قفس و همچنین ضخامت آنها بستگی دارد.

با در نظر گرفتن عمق پوست می توان ایده خوبی در مورد اثربخشی سپر فارادی به دست آورد . با عمق پوست، جریان جریان بیشتر در سطح است، و به صورت تصاعدی با عمق از طریق مواد تجزیه می شود. از آنجایی که یک سپر فارادی ضخامت محدودی دارد، این تعیین می کند که سپر چقدر خوب کار می کند. یک سپر ضخیم تر می تواند میدان های الکترومغناطیسی را بهتر و به فرکانس کمتری کاهش دهد.

قفس فارادی [ ویرایش ]

قفس های فارادی سپرهای فارادی هستند که سوراخ هایی در آنها وجود دارد و بنابراین تحلیل آنها پیچیده تر است. در حالی که سپرهای پیوسته اساساً تمام طول موج هایی را که عمق پوست آن ها در مواد بدنه کمتر از ضخامت بدنه است را تضعیف می کنند، سوراخ های یک قفس ممکن است به طول موج های کوتاه تر اجازه عبور دهند یا " میدان های محو شونده " را ایجاد کنند (میدان های نوسانی که به عنوان انتشار نمی یابند. امواج EM) درست فراتر از سطح. هر چه طول موج کوتاهتر باشد، بهتر از شبکه ای با اندازه معین عبور می کند. بنابراین، برای کارکرد خوب در طول موج‌های کوتاه (یعنی فرکانس‌های بالا)، سوراخ‌های قفس باید کوچک‌تر از طول موج موج فرودی باشند.

مثالها [ ویرایش ]

  • قفس های فارادی به طور معمول در شیمی تجزیه برای کاهش نویز در حین انجام اندازه گیری های حساس استفاده می شوند.
  • قفس‌های فارادی، به‌ویژه کیسه‌های فارادی درز دوتایی، اغلب در پزشکی قانونی دیجیتال برای جلوگیری از پاک کردن از راه دور و تغییر شواهد دیجیتال جنایی استفاده می‌شوند.
  • کیسه‌های فارادی ظروف قابل حملی هستند که با مواد فلزی ساخته شده‌اند و برای محافظت از آن‌ها در برابر انتقال الکترومغناطیسی برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، از افزایش حریم خصوصی دیجیتال تلفن‌های همراه تا محافظت از کارت‌های اعتباری در برابر RFID استفاده می‌شوند .
  • استانداردهای ایالات متحده و ناتو Tempest و استانداردهای مشابه در سایر کشورها، قفس های فارادی را به عنوان بخشی از تلاش گسترده تر برای تأمین امنیت انتشار برای رایانه ها شامل می شود.
  • محفظه های خودرو و هواپیما در اصل قفس های فارادی هستند که از مسافران در برابر بارهای الکتریکی مانند صاعقه محافظت می کنند.
  • قطعات الکترونیکی در خودروها و هواپیماها از قفس های فارادی برای محافظت از سیگنال ها در برابر تداخل استفاده می کنند. اجزای حساس ممکن است شامل قفل درب های بی سیم، سیستم های ناوبری/GPS و سیستم های هشدار خروج از خط باشند . قفس‌ها و سپرهای فارادی نیز برای سیستم‌های اطلاعات سرگرمی خودرو (مانند واحدهای نمایشگر رادیویی، Wi-Fi و GPS)، که ممکن است با قابلیت عملکرد به عنوان مدارهای حیاتی در موقعیت‌های اضطراری طراحی شوند، حیاتی هستند. [5] [6]
  • یک کیسه تقویتی (کیف خرید با روکش فویل آلومینیومی ) به عنوان یک قفس فارادی عمل می کند. اغلب توسط دزدان مغازه برای سرقت اقلام دارای برچسب RFID استفاده می شود . [7]
    • ظروف مشابه برای مقاومت در برابر RFID استفاده می شود .
  • آسانسورها و اتاق‌های دیگر با قاب‌ها و دیوارهای رسانای فلزی، اثر قفس فارادی را شبیه‌سازی می‌کنند، که منجر به از دست دادن سیگنال و "مناطق مرده" برای کاربران تلفن‌های همراه ، رادیو و سایر دستگاه‌های الکترونیکی می‌شود که به سیگنال‌های الکترومغناطیسی خارجی نیاز دارند. در طول آموزش، به آتش‌نشان‌ها و سایر امدادگران هشدار داده می‌شود که رادیوهای دو طرفه آنها احتمالاً در داخل آسانسور کار نمی‌کنند و برای آن هزینه‌هایی در نظر می‌گیرند. قفس‌های کوچک و فیزیکی فارادی توسط مهندسان الکترونیک در طول آزمایش تجهیزات برای شبیه‌سازی چنین محیطی استفاده می‌شوند تا مطمئن شوند که دستگاه به‌خوبی این شرایط را مدیریت می‌کند. [ نیازمند منبع ]
  • لباس های رسانا که به درستی طراحی شده اند نیز می توانند یک قفس محافظ فارادی را تشکیل دهند. برخی از خطوط برقی لباس‌های فارادی می‌پوشند که به آنها اجازه می‌دهد بدون خطر برق گرفتگی روی خطوط برق با ولتاژ بالا کار کنند. این لباس از عبور جریان الکتریکی از بدنه جلوگیری می کند و محدودیت ولتاژ نظری ندارد. خطوط ران حتی با بالاترین ولتاژ ( خط 1150 کیلوولت اکیباستوز-کوکستاو قزاقستان ) با موفقیت کار کرده اند. [ نیازمند منبع ]
  • اتاق اسکن دستگاه تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) به عنوان قفس فارادی طراحی شده است. این کار از اضافه شدن سیگنال‌های خارجی RF (فرکانس رادیویی) به داده‌های جمع‌آوری‌شده از بیمار جلوگیری می‌کند که بر روی تصویر حاصل تأثیر می‌گذارد. در صورت آسیب دیدن قفس فارادی، مانند طوفان رعد و برق ، فن‌آوران برای شناسایی مصنوعات مشخصه‌ای که روی تصاویر ایجاد می‌شوند، آموزش دیده‌اند .
  • یک اجاق مایکروویو از یک محافظ جزئی فارادی (در پنج ضلع از شش ضلع داخلی آن) و یک قفس جزئی فارادی، متشکل از یک توری سیمی، در سمت ششم (پنجره شفاف) استفاده می‌کند تا انرژی الکترومغناطیسی را در داخل اجاق نگه دارد و از آن محافظت کند. کاربر از قرار گرفتن در معرض تشعشعات مایکروویو. [ نیازمند منبع ]
  • کیسه های پلاستیکی آغشته به فلز برای محصور کردن دستگاه های اخذ عوارض الکترونیکی در مواقعی که نباید از آن دستگاه ها عوارض دریافت کرد، مانند هنگام حمل و نقل یا زمانی که کاربر در حال پرداخت نقدی است، استفاده می شود. [ نیازمند منبع ]
  • محافظ کابل های غربال شده ، مانند کابل های USB یا کابل کواکسیال مورد استفاده برای تلویزیون کابلی، هادی های داخلی را از نویز الکتریکی خارجی محافظت می کند و از نشت سیگنال های RF به بیرون جلوگیری می کند.
  • اجزای الکترونیکی در برخی آلات موسیقی، مانند گیتار الکتریک ، توسط قفس‌های فارادی ساخته شده از فویل‌های مس یا آلومینیوم محافظت می‌شوند که از پیکاپ‌های الکترومغناطیسی ساز در برابر تداخل بلندگوها، تقویت‌کننده‌ها، چراغ‌های صحنه و سایر تجهیزات موسیقی محافظت می‌کنند.
  • برخی از ساختمان‌ها، مانند زندان‌ها، به عنوان قفس فارادی ساخته می‌شوند، زیرا دلایلی برای جلوگیری از تماس‌های ورودی و خروجی زندانیان با تلفن همراه دارند. [8] [9]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منابع [ ویرایش ]

  1. ↑ «مایکل فارادی» . انکارتا . بایگانی شده از نسخه اصلی در 8 مه 2006 . بازیابی شده در 20 نوامبر 2008 .
  2. ↑ Krauss, JD (1992) Electromagnetics , ed. 4, McGraw-Hill. شابک 0-07-035621-1
  3. ↑ Mascart، Éleuthère Élie Nicolas (1876). Traité d'électricité statique . جی. ماسون. پ. 95 . فارادی کیج نولت.
  4. ^ چپمن، اس. جاناتان؛ هیوت، دیوید پی. Trefethen، Lloyd N. (2015). "ریاضیات قفس فارادی" (PDF) . بررسی SIAM . 57 (3): 398-417. doi : 10.1137/140984452 .
  5. ↑ "درک EMI/RFI Shielding برای مدیریت تداخل" . Ceptech . بازیابی شده در 2020-04-23 .
  6. ↑ "قابلیت اطمینان به مهمترین نگرانی در خودرو تبدیل می شود" . وبلاگ اجزای غیرفعال 12-02-2019 . بازیابی شده در 2020-04-23 .
  7. ↑ همیل، شان (22 دسامبر 2008). "با سقوط اقتصاد، دستگیری ها برای دزدی از مغازه اوج می گیرد" . مجله نیویورک تایمز . بازیابی شده در 12 اوت 2009 .
  8. ^ نثر، مارک. "سیستم ناقص". مجله AARP . شماره آوریل / مه 2020. ص. 6. با یک سپر فارادی، عملکردهای ارسال و دریافت تلفن ها بی فایده می شود
  9. ^ "تغییر شده برای بازرسی عمومی: گزارش وضعیت کارگروه تلفن قاچاق" (PDF) . CTIA . 26 آوریل 2019.

پیوندهای خارجی [ ویرایش ]

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی مربوط به قفس‌های فارادی وجود دارد .

https://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage