Klatki Faradaya

Co to jest klatka Faradaya?

Klatka Faradaya to zamknięta przestrzeń otoczona przewodzącym materiałem, takim jak metalowa siatka lub blacha. Nazwa pochodzi od nazwiska brytyjskiego fizyka Michaela Faradaya, który odkrył zasadę jej działania w pierwszej połowie XIX wieku. Klatka Faradaya to niejako ekran elektromagnetyczny, który blokuje zewnętrzne pola elektryczne i chroni wnętrze przed promieniowaniem elektromagnetycznym.

Budowa klatki Faradaya

Klatka Faradaya składa się z ciągłej, zamkniętej powłoki wykonanej z materiału przewodzącego. Może nim być siatka druciana, blacha metalowa (stal, aluminium lub miedź) lub specjalna farba przewodząca. Dla skuteczności ekranowania ważne by powłoka była ciągła i nie miała przerw ani szczelin, przez które mogłoby przedostać się promieniowanie elektromagnetyczne.

Jak działa klatka Faradaya?

Zasada działania klatki Faradaya opiera się na zjawisku indukcji elektrostatycznej. Gdy zewnętrzne pole elektryczne oddziałuje na przewodzącą powłokę klatki, wolne elektrony w materiale przewodzącym przemieszczają się, tworząc przeciwne pole elektryczne wewnątrz klatki. W efekcie pole elektryczne wewnątrz klatki jest zerowe, a promieniowanie elektromagnetyczne nie może przedostać się do środka.

Przed czym chroni klatka Faradaya?

Klatka Faradaya chroni przed szerokim spektrum promieniowania elektromagnetycznego, które obejmuje:

• fale radiowe (np. telefonia komórkowa, Wi-Fi, Bluetooth)
• mikrofale (np. z kuchenek mikrofalowych, radarów)
• promieniowanie podczerwone i światło widzialne
• promieniowanie ultrafioletowe
• promieniowanie rentgenowskie i gamma (w ograniczonym stopniu)

Klatka Faradaya chroni również przed wyładowaniami atmosferycznymi (piorunami) i impulsami elektromagnetycznymi (EMP), które mogą uszkodzić wrażliwy sprzęt elektroniczny.

Historia klatki Faradaya

Klatka Faradaya została wynaleziona przez brytyjskiego naukowca Michaela Faradaya w 1836 roku. Faraday przeprowadził serię eksperymentów, w czasie których umieszczał różne obiekty wewnątrz metalowych pojemników i wykazał, że pole elektryczne nie przenika do wnętrza zamkniętej, przewodzącej powłoki.

W 1855 roku James Clerk Maxwell sformułował matematyczny opis zjawiska ekranowania elektromagnetycznego. Ten opis jest znany jako prawo Gaussa i wyjaśnia teoretyczne zasady działanie klatki Faradaya.

Pierwsze praktyczne zastosowania klatek Faradaya pojawiły się na początku XX wieku, wraz z rozwojem telekomunikacji i elektroniki. Obecnie klatki Faradaya są stosowane w bardzo różnych dziedzinach, od ochrony informacji niejawnych po testy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Przykłady zastosowania klatek Faradaya

Klatki Faradaya mają bardzo wiele zastosowań w różnych dziedzinach nauki, przemysłu i bezpieczeństwa. Oto kilka kluczowych przykładów ich wykorzystania.

Ochrona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI)

Klatki Faradaya są stosowane do ochrony wrażliwego sprzętu elektronicznego przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) pochodzącymi z zewnętrznych źródeł, takich jak nadajniki radiowe, linie energetyczne czy urządzenia elektryczne.

Ochrona przed impulsem elektromagnetycznym (EMP)

Klatki Faradaya są używane do ochrony infrastruktury krytycznej i sprzętu wojskowego przed impulsami elektromagnetycznymi (EMP to skrót od Electromagnetic Pulse), które mogą być generowane przez wybuchy jądrowe lub specjalną broń. Taka broń emituje silne impulsy elektromagnetyczne w celu zakłócenia lub trwałego uszkodzenia urządzeń elektronicznych i systemów elektrycznych w określonym obszarze. Działanie broni EMP opiera się na bardzo szybkich zmianach pola elektromagnetycznego, które indukują wysokie napięcia w obwodach elektrycznych. To powoduje uszkodzenia komponentów elektronicznych.

Bezpieczeństwo informacji

Klatki Faradaya są stosowane do budowy bezpiecznych pomieszczeń (secret room) i kancelarii tajnych, w których przechowywane są informacje niejawne, wrażliwe dane biznesowe i dokumenty. Chronią one przed nieautoryzowanym dostępem za pomocą sygnałów radiowych (np. RFID, Wi-Fi) oraz podsłuchem elektromagnetycznym. Ochrona informacji niejawnych na wymaganym poziomie może wymagać by pomieszczenie ekranowane spełniało normę TEMPEST (NSTISSAM TEMPEST), która określa dopuszczalne poziomy emisji ujawniających i metody ich pomiaru. W przypadku przetwarzania informacji niejawnych w systemach teleinformatycznych, należy dodatkowo stosować się do wytycznych Departamentu Bezpieczeństwa Teleinformatycznego Agencji Bezpieczeństwa Wewnętrznego (ABW), które opisują kwestie kontroli emisji i odporności na zaburzenia elektromagnetyczne oraz definiują strefy bezpieczeństwa. Firma EMC.pl (dawniej EMCEK) projektuje pomieszczenia ekranowane zgodnie z tymi wytycznymi oraz normą TEMPEST.

Pomieszczenia ekranowane dla potrzeb wojska i obronności powinny ponadto spełniać normę NATO STANAG 4236 czy amerykańską MIL-STD-461G. W zależności od specyfiki projektu mogą być również wymagane inne normy, takie jak MIL-STD-464 czy MIL-HDBK-1195, zwłaszcza w kontekście ochrony przed zagrożeniami elektromagnetycznymi.

Zastosowanie w laboratoriach (testowanie sprzętu)

W laboratoriach EMC (kompatybilności elektromagnetycznej) klatki Faradaya służą do testowania odporności urządzeń elektronicznych na zakłócenia elektromagnetyczne oraz do pomiaru emisji elektromagnetycznej generowanej przez te urządzenia.

Testy przeprowadzane w ekranowanych laboratoriach mają na celu weryfikację zgodności urządzeń z wymaganiami dyrektyw i norm, takich jak:

• Dyrektywa EMC (2014/30/UE) – ona określa wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych i elektronicznych wprowadzanych do obrotu na terenie Unii Europejskiej. Chodzi o to by urządzenia nie zakłócały się nawzajem i same nie były podatne na zakłócenia.
• Dyrektywa RED (2014/53/UE) – zwana dyrektywą radiową, opisuje wymagania dla urządzeń radiowych, w tym dotyczące wykorzystania widma radiowego i zapobiegania zakłóceniom.
• Normy serii IEC/EN 61000 – to zbiór norm określających metody testowania oraz dopuszczalne poziomy emisji i odporności na zaburzenia elektromagnetyczne dla różnych grup urządzeń.
• Normy serii CISPR – to międzynarodowe normy dotyczące pomiaru i ograniczania zaburzeń radioelektrycznych generowanych przez urządzenia.

Zastosowania medyczne (ochrona zdrowia)

Klatki Faradaya znajdują zastosowanie w medycynie do:

• ochrony sprzętu medycznego przed zakłóceniami, które mogłyby wpłynąć na jego działanie.
• Ekranowania innych pomieszczeń placówki medycznej przed działaniem silnego pola magnetycznego

Przykładem są sale operacyjne czy pracownie rezonansu magnetycznego (MRI). Wymagania dotyczące ekranowania takich pomieszczeń reguluje międzynarodowa norma IEC 60601-2-33.

Bezpieczeństwo osobiste

Miniaturowe klatki Faradaya w postaci np. etui lub torebek pozwalają blokować sygnał z urządzeń osobistych, takich jak komórki, kluczyki samochodowe, paszporty biometryczne czy karty zbliżeniowe. Takie etui mają zaszyty  materiał przewodzący, który po szczelnym zamknięciu ekranuje włożony przedmiot. Telefon komórkowy włożony do takiego etui nie będzie odbierał sygnału.

Klatka Faradaya w samochodzie

Niektóre nowoczesne samochody mają elementy karoserii działające podobnie jak klatka Faradaya. Pomagają one chronić elektronikę pojazdu przed zakłóceniami elektromagnetycznymi z zewnątrz. Samochody są w coraz większym stopniu zelektronizowane i zależne od systemów komunikacji bezprzewodowej, takich jak GPS, Bluetooth czy sieci komórkowe. Jednak całkowite ekranowanie uniemożliwiłoby korzystanie z niezbędnych systemów komunikacji bezprzewodowej. Zamiast tego stosuje się selektywne ekranowanie poszczególnych podzespołów, aby zapewnić ochronę przed zakłóceniami. Obszar ten będzie się dynamicznie rozwijał ze względu na postępy w dziedzinie samochodów autonomicznych, takich jak pojazdy marki Tesla, które wykorzystują dane z czujników (np. radar LIDAR-owy) i komunikacji z infrastrukturą drogową.

Klatka Faradaya na telefon komórkowy

Specjalne etui lub torby w formie klatek Faradaya są stosowane do blokowania sygnałów telefonów komórkowych, gdy wymagana jest poufność, odporność na podsłuch lub wykrycie ulotu elektromagnetycznego. Czyli np. podczas ważnych spotkań i negocjacji biznesowych, w kancelariach tajnych lub w obiektach wojskowych.

Jak powstaje klatka Faradaya?

Proces produkcji i budowy klatki Faradaya przez producenta takiego jak EMC.pl obejmuje kilka kluczowych etapów. Każdy z nich przechodzi akceptację klienta.

1. Określenie potrzeb: dotyczących poziomu tłumienności, zakresu częstotliwości, rozmiaru i kształtu klatki, wyposażenia takiego jak filtry, absorbery, ferryty czy pozycjonery oraz rozmiaru i typu drzwi.
2. Opracowujemy projekt techniczny: w oparciu o normy ekranowania elektromagnetycznego. Projekt obejmuje sposób łączenia elementów i ewentualnych otworów wentylacyjnych z filtrem plastra miodu lub okien ekranowanych
3. Montaż: Skonstruowanie klatki Faradaya zgodnie z projektem, dbając o ciągłość elektryczną powłoki i eliminację szczelin czy przerw.
4. Testy skuteczności: Przeprowadzenie pomiarów tłumienia pola elektromagnetycznego wewnątrz klatki, aby zweryfikować jej skuteczność i zgodność z wymaganiami. Zazwyczaj przeprowadza się badanie inżynierskie, tu firma EMC.pl dysponuje odpowiednimi analizatorami widma wraz z oprogramowaniem do prowadzenia i dokumentowania pomiaru. W niektórych sytuacjach pomiar skuteczności jest prowadzone przez laboratorium akredytowane np. Instytut Łączności.

Budowanie własnej klatki Faradaya

Prostą klatkę Faradaya można zbudować samodzielnie, używając dostępnych materiałów, takich jak folia aluminiowa, siatka druciana czy metal. Należy jednak pamiętać, że skuteczność takiej domowej klatki będzie ograniczona. Profesjonalne klatki Faradaya wymagają specjalistycznych materiałów i precyzyjnego wykonania.

Materiały do budowy klatki Faradaya

Do budowy klatek Faradaya stosuje się różne materiały przewodzące, w zależności od wymagań dotyczących poziomu ochrony i częstotliwości promieniowania:

• Siatka miedziana lub aluminiowa: Zapewnia dobrą przewodność elektryczną i skuteczne ekranowanie w szerokim zakresie częstotliwości.
• Blacha aluminiowa lub stalowa: Stosowana do budowy solidnych, sztywnych konstrukcji klatek Faradaya. Zapewnia wysoką skuteczność ekranowania, ale może być trudniejsza w obróbce niż siatka. W firmie EMC.pl budujemy klatki Faradaya w oparciu o technologię paneli stalowych.
• Specjalna farba przewodząca: Farby zawierające drobiny metali (np. miedzi, srebra, niklu) umożliwiają utworzenie przewodzącej powłoki. Są łatwe w użyciu, ale mają znacznie mniejszą skuteczność niż klatki z blachy.
• Tkaniny przewodzące: Materiały z włóknami metalowymi lub pokryte warstwą przewodzącą, stosowane do budowy elastycznych klatek Faradaya i odzieży ochronnej. Z takich tkanin stawia się też mobilne tymczasowe namioty, które do pewnego stopnia mogą funkcjonować jako pomieszczenie badawcze. Jednakże rozwiązanie to ma swoje ograniczenia, szczególnie w wyższych częstotliwościach.

Jak klatka Faradaya wpływa na pole elektromagnetyczne?

Klatka Faradaya tworzy barierę dla pola elektromagnetycznego. Gdy zewnętrzne pole elektromagnetyczne napotyka przewodzącą powłokę klatki, indukuje w niej prądy powierzchniowe, które tworzą przeciwne pole elektromagnetyczne wewnątrz klatki. W ten sposób pole elektromagnetyczne wewnątrz klatki jest bardzo słabe lub całkowicie zneutralizowane.

Skuteczność tłumienia pola elektromagnetycznego przez klatkę Faradaya zależy od kilku czynników:

• Przewodności elektrycznej materiału powłoki
• Grubości i ciągłości powłoki
• Częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego
• Geometrii i rozmiaru klatki w stosunku do długości fali promieniowania

Profesjonalnie zaprojektowane i wykonane klatki Faradaya mogą osiągać tłumienie rzędu 80-120 dB, co oznacza, że natężenie pola elektromagnetycznego wewnątrz klatki jest do miliona razy mniejsze niż na zewnątrz. Komory firmy EMC.pl osiągają tłumienność 100 dB przy bardzo wysokich częstotliwościach – 40 GHz, co zostało potwierdzone odbiorami klientów o najwyższych wymaganiach jakościowych takich jak NOKIA, Orange, Intel, ABB czy Żandarmeria Wojskowa oraz za pomocą testów prowadzonych przez certyfikowane laboratoria.

Innowacyjne i nowoczesne klatki Faradaya

Firma EMC.pl specjalizuje się w projektowaniu i produkcji zaawansowanych klatek Faradaya, dostosowanych do specyficznych potrzeb klientów z różnych branż. Klatki EMC.pl mają kilka ważnych wyróżników:

• Najwyższa w Polsce skuteczność ekranowania w tym wysokich częstotliwościach
• Modułowa konstrukcja, która umożliwia łatwą rozbudowę i adaptację do zmieniających się wymagań
• Wiele rodzajów drzwi EMC – przesuwne, uchylne, automatyczne, progowe i bezprogowe, a także bramy EMC dużych rozmiarów
• Wyposażenie pod klucz – wszystkie niezbędne elementy takie jak filtry, anteny, pozycjonery, absorbery i ferryty.
• Bardzo dobry stosunek jakości do ceny, zwłaszcza względem konkurencji zagranicznej
• Dbałość o detale i wysoką jakością wykonania, co zapewnia im dużą żywotność

Klatki Faradaya od EMC.pl znajdują zastosowanie m.in. w laboratoriach EMC, centrach przetwarzania danych, obiektach wojskowych i rządowych oraz w przemyśle elektronicznym i elektrycznym.

Klatki Faradaya w testach EMC

W testach kompatybilności elektromagnetycznej klatki Faradaya odgrywają kluczową rolę. Służą one do tworzenia kontrolowanego środowiska elektromagnetycznego, w którym można precyzyjnie mierzyć emisję i odporność testowanych urządzeń na zakłócenia.

Klatki Faradaya używane w testach EMC muszą spełniać rygorystyczne normy dotyczące tłumienia pola elektromagnetycznego i jednorodności ekranowania w określonym zakresie częstotliwości. Klatki bezechowe (anechoic chamber) służące do takich testów są wyposażone w specjalne absorbery fal elektromagnetycznych, które eliminują odbicia wewnętrzne i zapewniające warunki pomiarowe pola dalekiego.

Testy EMC w klatce Faradaya są niezbędne dla zapewnienia zgodności urządzeń elektronicznych z normami i przepisami dotyczącymi emisji elektromagnetycznej i odporności na zakłócenia. Pozwalają one wykryć potencjalne problemy i zoptymalizować projekt urządzenia. W Unii Europejskiej spełnienie norm dyrektywy EMC ((2014/30/UE) jest konieczne do wprowadzenia produktu na rynek i stosowania charakterystycznego znaku CE.

Czy wszystkie klatki Faradaya blokują sygnał?

Stopień tłumienności klatki Faradaya zależy od wielu czynników, m.in. przewodności elektrycznej zastosowanych materiałów, precyzji wykonania elementów i dokładności ich złożenia, zakresu częstotliwości fal, kształtu i rozmiaru klatki, zastosowanych filtrów elektrycznych i sygnałowych itp.

Profesjonalnie zaprojektowane i wykonane klatki Faradaya mogą skutecznie blokować większość sygnałów radiowych, w tym sygnały telefonii komórkowej, Wi-Fi, Bluetooth, GPS a nawet fale mikrofalowe.

Klatki Faradaya amatorskie lub budowane przez firmy o małym doświadczeniu nie będą działać skutecznie. Najczęściej popełniane błędy to błędy w planowaniu konstrukcji, zastosowanie materiałów niskiej jakości i niestaranne złożenie powodujące nieszczelności i wycieki promieniowania. Takie klatki nie zapewniają właściwego ekranowania sygnału, szczególnie dla wysokich częstotliwości lub silnych źródeł promieniowania. Skuteczność tłumienia klatki sprawdza się badaniem z wykorzystaniem analizatora widma. Test powinien być przeprowadzony zgodnie z normą EN 50147-1 przez przeszkolonego inżyniera lub laboratorium akredytowane.

Dlatego przy projektowaniu i budowie klatki Faradaya kluczowe jest precyzyjne określenie wymagań stopnia i zakresu tłumienia sygnału, stworzenie projektu w oparciu o praktyczne realizacje i doświadczony zespół montażowy.