قفص فاراداي (Faraday cage)

يشكل قفص فاراداي أو درع فاراداي غلافًا مصممًا لعرقلة مجالات كهرومغناطيسية محددة. يمكن بناء مثل هذا الدرع من مادة موصلة مستمرة، أو، عند تشكيله كقفص فاراداي، من شبكة من مواد موصلة مماثلة. تستمد هذه الأجهزة تسمياتها من العالم مايكل فاراداي، الذي كان رائدًا في بنائها في عام 1836.

يعتمد المبدأ التشغيلي لقفص فاراداي على إعادة توزيع الشحنات الكهربائية داخل مادته الموصلة عند تعريضه لمجال كهربائي خارجي، مما يؤدي بشكل فعال إلى تحييد تأثير المجال داخل السياج. تعتبر هذه الآلية مفيدة في حماية الأجهزة الإلكترونية الحساسة، مثل أجهزة استقبال الترددات الراديوية (RF)، من تداخل الترددات الراديوية الخارجية (RFI)، خاصة أثناء إجراءات التشخيص أو المعايرة. علاوة على ذلك، توفر أقفاص فاراداي الحماية للأفراد والمعدات ضد التيارات الكهربائية، بما في ذلك ضربات البرق والتفريغ الكهروستاتيكي، عن طريق تحويل التيار الكهربائي حول الجزء الخارجي من الحجم المغلق، وبالتالي منع اختراقه إلى الداخل.

من المهم ملاحظة أن أقفاص فاراداي غير فعالة ضد المجالات المغناطيسية الثابتة أو المتقلبة تدريجيًا، مثل المجال المغناطيسي الأرضي؛ وبالتالي، ستظل البوصلة عاملة داخل مثل هذه العلبة. ومع ذلك، فإنها تخفف إلى حد كبير الإشعاع الكهرومغناطيسي الخارجي داخل داخلها، بشرط أن تمتلك المادة الموصلة سمكًا مناسبًا وأن تكون أي فتحات أصغر بكثير من الطول الموجي للإشعاع. على سبيل المثال، يتم إجراء بروتوكولات اختبار الطب الشرعي الحاسوبية المحددة للأنظمة الإلكترونية، والتي تتطلب بيئة خالية من التداخل الكهرومغناطيسي، داخل الغرف المغطاة. هذه الغرف المتخصصة مغطاة بالكامل بطبقة واحدة أو عدة طبقات من الشبكات المعدنية الدقيقة أو الصفائح المعدنية المثقبة. يتم تأريض الطبقات المعدنية لتبديد التيارات الكهربائية الناجمة عن المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية أو الداخلية، وبالتالي تخفيف التداخل الكهرومغناطيسي بشكل كبير. تكون قدرات التوهين الخاصة بها بشكل عام أقل فعالية بالنسبة للإرسالات الصادرة مقارنة بالإرسالات الواردة. في حين أنها يمكن أن تعيق بشكل فعال للغاية موجات النبض الكهرومغناطيسي (EMP) الناشئة عن الظواهر الطبيعية، لا سيما عند الترددات العالية، إلا أن بعض أجهزة التتبع قد تستمر في الاختراق من داخل القفص، كما يتضح من بعض الهواتف الخلوية التي تعمل عبر ترددات راديو متعددة، حيث قد يتم حظر تردد واحد بينما يظل الآخر قيد التشغيل.

يتم توهين أو إرسال موجات الراديو، التي تشكل شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، بواسطة هوائي يقع داخل قفص فاراداي إلى حد كبير أو كليًا تعرقل من قبل الضميمة. ومع ذلك، فإن درجة التوهين التي يوفرها قفص فاراداي تختلف بناءً على عوامل مثل شكل الموجة، والتردد، والمسافة من جهاز الاستقبال أو المرسل، ومخرج الطاقة لجهاز الاستقبال أو المرسل. تُظهِر عمليات الإرسال عالية الطاقة ذات التردد القريب من المجال، مثل تلك المستخدمة في تحديد الهوية بالترددات الراديوية عالية التردد (HF RFID)، ميلًا أكبر للاختراق. عادةً، توفر أقفاص فاراداي الصلبة توهينًا فائقًا للمجال عبر نطاق أوسع من الترددات مقارنة بنظيراتها الشبكية.

التاريخ

في عام 1754، وثّق جان أنطوان نوليه ظاهرة تأثير القفص في عمله، Leçons de physique Experimental.

في عام 1755، أثبت بنجامين فرانكلين هذا التأثير عن طريق إدخال كرة فلين غير مشحونة، معلقة بخيط حرير، من خلال فتحة في حاوية معدنية مشحونة كهربائيًا. هذا السلوك الملحوظ هو سمة من سمات قفص أو درع فاراداي.

في عام 1836، لاحظ مايكل فاراداي أن أي شحنة زائدة على موصل نشط تقتصر فقط على سطحه الخارجي، ولا تمارس أي تأثير على الأشياء الموجودة داخله. وللتحقق من صحة هذه الملاحظة تجريبيًا، قام ببناء غرفة مبطنة برقائق معدنية وأخضع الجزء الخارجي منها لتفريغات عالية الجهد ناتجة عن جهاز إلكتروستاتيكي. وباستخدام المكشاف الكهربائي، تأكد من عدم وجود شحنة كهربائية على الأسطح الداخلية لجدران الغرفة.

العملية

مستمر

يعمل درع فاراداي المستمر كموصل مجوف. تطبيق المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية أو الداخلية يحفز القوى على حاملات الشحنة، عادة الإلكترونات، الموجودة داخل الموصل، مما يؤدي إلى إعادة توزيع هذه الشحنات عن طريق الحث الكهروستاتيكي. إن إعادة توزيع الشحنات هذه تقلل بشكل كبير الجهد عبر السطح، مع درجة التخفيض التي تعتمد على السعة؛ ومع ذلك لم يتم التحييد الكامل.

الرسوم الداخلية

عند شحن ${\displaystyle +Q}$ في درع فاراداي غير المؤرض دون الاتصال بأسطحه الداخلية، ويكتسب الوجه الداخلي للدرع شحنة ${\displaystyle -Q}$. تؤدي هذه الظاهرة إلى ظهور خطوط المجال الكهربائي التي تنشأ من الشحنة الداخلية وتنتهي عند الشحنات المستحثة داخل السطح الداخلي للمعدن. وتعتمد مسارات خطوط المجال الداخلي هذه، الممتدة إلى الشحنات السالبة، على هندسة جدران الاحتواء الداخلية. في الوقت نفسه، يتم شحن ${\displaystyle +Q}$ يتراكم على السطح الخارجي للدرع. إن توزيع هذه الشحنات الخارجية مستقل عن موضع الشحنة الداخلية داخل العلبة؛ بدلا من ذلك، يتم تحديده من خلال شكل الوجه الخارجي. وبالتالي، فإن درع فاراداي ينتج بشكل فعال نفس المجال الكهربائي الساكن خارجيًا كما لو كان المعدن نفسه مشحونًا ببساطة بـ ${\displaystyle +Q}$. تجدر الإشارة إلى أن الموجات الكهرومغناطيسية تختلف عن الشحنات الساكنة.

عندما يتم تأريض قفص فاراداي، يتم تحييد أي شحنات زائدة لأن الاتصال الأرضي ينشئ رابطة متساوية الجهد بين الجزء الخارجي للقفص والبيئة المحيطة. وهذا يلغي أي فرق محتمل، وبالتالي يمنع تكوين مجال كهربائي خارجي. ومع ذلك، يظل الوجه الداخلي والشحنة المغلقة غير متأثرين، مما يضمن حصر المجال الكهربائي داخل القفص.

الحقول الخارجية

إن فعالية التدريع ضد المجال الكهربائي الساكن مستقلة في الغالب عن هندسة المادة الموصلة؛ وعلى العكس من ذلك، فإن المجالات المغناطيسية الساكنة قادرة على الاختراق الكامل من خلال مثل هذا الدرع.

بالنسبة للمجالات الكهرومغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت، تتحسن مقاومة المادة لاختراق المجال المغناطيسي مع زيادة تردد التباين. في مثل هذه السيناريوهات، تتوقف فعالية التدريع أيضًا على التوصيل الكهربائي، والخواص المغناطيسية، وسمك المواد الموصلة المستخدمة في الأقفاص.

يمكن توضيح فعالية درع فاراداي من خلال فحص مفهوم عمق الجلد. يصف عمق الجلد الظاهرة التي يتدفق فيها التيار الكهربائي في المقام الأول بالقرب من سطح الموصل، ويتحلل بشكل كبير مع زيادة العمق في المادة. ونظرًا لأن درع فاراداي يمتلك سُمكًا محدودًا، فإن هذه المعلمة تؤثر بشكل مباشر على أدائه؛ يتيح سمك الدرع الأكبر توهينًا فائقًا للمجالات الكهرومغناطيسية، ويمتد إلى الترددات المنخفضة.

أقفاص فاراداي

تمثل أقفاص فاراداي نوعًا محددًا من درع فاراداي يتميز بالثقوب، مما يؤدي إلى تعقيد تحليلي أكبر. في حين أن الدروع المستمرة تخفف بشكل فعال جميع الأطوال الموجية التي يكون فيها عمق الجلد في مادة الهيكل أقل من سمك الهيكل، فإن الفتحات الموجودة في القفص يمكن أن تسمح لأطوال موجية أقصر باختراق أو توليد "حقول متلاشية" - مجالات متذبذبة لا تنتشر كموجات كهرومغناطيسية - خارج السطح مباشرة. تُظهر الأطوال الموجية الأقصر سهولة أكبر في المرور عبر شبكة ذات بُعد محدد. وبالتالي، من أجل التشغيل الفعال عند الأطوال الموجية القصيرة (أي الترددات العالية)، يجب أن تكون فتحات القفص أصغر أبعادًا من الطول الموجي للموجة الساقطة.

التطبيقات

• في الكيمياء التحليلية، يتم استخدام أقفاص فاراداي بشكل روتيني لتخفيف التداخل الكهرومغناطيسي، وبالتالي تعزيز دقة القياسات الحساسة.
• على وجه التحديد، يتم استخدام أكياس فاراداي ذات التماس المزدوج، وهي شكل من أشكال قفص فاراداي، بشكل متكرر في الطب الشرعي الرقمي لحماية الأدلة الرقمية الجنائية من المسح عن بعد والتعديل غير المصرح به.
• أكياس فاراداي عبارة عن حاويات أمنية متخصصة مصنوعة من مواد معدنية، مصممة لحماية الأجهزة الإلكترونية من عمليات النقل الكهرومغناطيسي. تطبيقاتها متنوعة، بدءًا من تعزيز الخصوصية الرقمية للهواتف المحمولة إلى حماية بطاقات الائتمان من عمليات سرقة RFID.
• تم دمج أقفاص فاراداي في معايير Tempest الخاصة بالولايات المتحدة وحلف شمال الأطلسي، بالإضافة إلى اللوائح الوطنية المماثلة، كعنصر من عناصر الاستراتيجيات الشاملة لضمان أمن الانبعاثات لأنظمة الحوسبة.
• تعمل مقصورات الركاب في السيارات والطائرات كأقفاص فاراداي بحكم الأمر الواقع، مما يوفر الحماية للركاب من التفريغ الكهربائي، بما في ذلك ضربات البرق.
• تستخدم المكونات الإلكترونية في أنظمة السيارات والفضاء أقفاص فاراداي لحماية الإشارات من التداخل الكهرومغناطيسي. وتشمل هذه المكونات الحساسة أقفال الأبواب اللاسلكية، وأنظمة الملاحة ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وأنظمة التحذير من مغادرة المسار. علاوة على ذلك، لا غنى عن أقفاص ودروع فاراداي لأنظمة المعلومات والترفيه في المركبات، بما في ذلك وحدات عرض الراديو والواي فاي ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والتي يمكن تصميمها لتعمل كدوائر أساسية أثناء سيناريوهات الطوارئ.
• تعمل الحقيبة المعززة، وهي عادةً حقيبة تسوق مبطنة بورق الألمنيوم، بمثابة قفص فاراداي البدائي. يتم استخدام هذه بشكل متكرر من قبل سارقي المتاجر لإزالة البضائع التي تحمل علامة RFID بطريقة غير مشروعة. تُستخدم أيضًا حاويات مماثلة لمنع عمليات التصفح غير المصرح بها لـ RFID.
• تُظهر المصاعد وغيرها من الأماكن المغلقة التي تتميز بإطارات وجدران موصلة معدنية تأثير قفص فاراداي، مما يؤدي إلى توهين الإشارة وإنشاء "مناطق ميتة" للهواتف الخلوية وأجهزة الراديو والأجهزة الإلكترونية الأخرى التي تعتمد على الإشارات الكهرومغناطيسية الخارجية. يتلقى المستجيبون الأوائل، مثل رجال الإطفاء، تدريبًا يتضمن تحذيرات حول احتمال عدم إمكانية تشغيل أجهزة الراديو ثنائية الاتجاه داخل المصاعد، مما يستلزم إجراء تعديلات تشغيلية مناسبة.
• يستخدم مهندسو الإلكترونيات أقفاص فاراداي المادية المدمجة أثناء اختبار المعدات لتكرار مثل هذه البيئات الكهرومغناطيسية، وبالتالي ضمان احتفاظ الأجهزة بالأداء الأمثل في ظل هذه الظروف المحددة.
• يمكن أيضًا للملابس الموصلة المصممة بشكل مناسب إنشاء قفص فاراداي الواقي. على سبيل المثال، يرتدي بعض عمال الخطوط الكهربائية بدلات فاراداي المتخصصة، مما يمكنهم من إجراء الصيانة بأمان على خطوط الطاقة الكهربائية عالية الجهد دون التعرض لخطر الصعق الكهربائي. تمنع هذه الملابس الواقية التيار الكهربائي من عبور جسم مرتديها ولا يوجد بها أي قيود نظرية على الجهد. نجح عمال الملاحة في العمل على خطوط الجهد العالي للغاية، بما في ذلك خط إيكيباستوز-كوكشيتاو بقدرة 1150 كيلو فولت في كازاخستان، بأمان تام.
• تم إنشاء غرفة المسح بجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) على شكل قفص فاراداي. ويمنع هذا التصميم إدخال إشارات الترددات الراديوية الخارجية (RF) في البيانات التي تم الحصول عليها من المريض، الأمر الذي قد يؤدي إلى الإضرار بجودة الصورة الناتجة. يُطلب من التقنيين التعرف على القطع الأثرية المميزة التي قد تظهر على الصور في حالة تعرض قفص فاراداي للخطر، على سبيل المثال، أثناء عاصفة كهربائية.
• يشتمل فرن الميكروويف على درع فاراداي جزئي على خمسة من أسطحه الداخلية الستة وقفص فاراداي جزئي يتكون من شبكة سلكية على الجانب السادس (نافذة الرؤية الشفافة). يعمل هذا التكوين على حصر الطاقة الكهرومغناطيسية داخل الجهاز وحماية المستخدم من التعرض لإشعاع الميكروويف.
• تُستخدم الأكياس البلاستيكية المشربة بالمعدن لتغليف أجهزة تحصيل الرسوم الإلكترونية في المواقف التي لا يُقصد فيها فرض رسوم، مثل أثناء النقل أو عندما يختار المستخدم الدفع نقدًا.
• يعمل التدريع الموجود داخل الكابل المحجب، والذي يتمثل في كابلات USB أو الكابلات المحورية المستخدمة في تلفزيون الكابل، على حماية الموصلات الداخلية من الضوضاء الكهربائية الخارجية ويمنع خروج إشارات التردد اللاسلكي (RF).
• المكونات الإلكترونية الموجودة في بعض الآلات الموسيقية، مثل الجيتارات الكهربائية، محمية بواسطة أقفاص فاراداي المصنوعة من رقائق النحاس أو الألومنيوم. تعمل هذه الأقفاص على حماية التقاطات الكهرومغناطيسية الخاصة بالجهاز من التداخل الناشئ من مكبرات الصوت ومكبرات الصوت وإضاءة المسرح وغيرها من الأجهزة الموسيقية المرتبطة بها.
• تم تصميم بعض الهياكل، بما في ذلك المرافق الإصلاحية، لتكون بمثابة أقفاص فاراداي لعرقلة اتصالات الهاتف الخلوي الواردة والصادرة من قبل النزلاء. وبالمثل، تعمل قاعة العرض في مرصد جرين بانك بمثابة قفص فاراداي لمنع التداخل مع عمليات التلسكوب الراديوي.

• غرفة كاتمة للصدى
• نسيج موصل
• قانون غاوس
• المعدن المتعدد
• ملف تسلا

المراجع

حماية قفص فاراداي من 100000 فولت: Physikshow Uni Bonn

• قفص فاراداي يحمي من 100.000 فولت:: Physikshow Uni Bonn
• ملاحظات محاضرة في الفيزياء عن أقفاص فاراداي من جامعة ولاية ميشيغان
• اصنع قفص فاراداي في الهند
• ريتشارد هاموند من توب جير يوضح الحماية من 600000 فولت داخل السيارة (قفص فاراداي).