قفس‌های فارادی: چگونه با استفاده از اصول فیزیکی، تابش EMF را مسدود می‌کنند؟
سال 1836 میلادی است. مردی به نام مایکل فارادی در انگلستان در حال انجام آزمایشی با استفاده از فویل فلزی، اتاقی و مقداری بار الکتریکی ساکن است.
او پس از ساخت اتاقی که با فویل فلزی پوشانده شده بود، با استفاده از یک ژنراتور الکترواستاتیک به بیرون اتاق ضربه زد. با استفاده از یک الکتروسکوپ، او متوجه شد که هیچ بار الکتریکی در داخل دیوارهای این اتاق پوشیده از فلز وجود ندارد.
فارادی کیست و چه چیزی را کشف کرد؟ این یک داستان الهام بخش از شروع از هیچ است که منجر به ایجاد پایه و اساس یک حوزه مهم فیزیک شد: الکترومغناطیس.
مایکل فارادی کیست؟
همه انیشتین، نیوتن و ادیسون را می‌شناسند. اما فارادی به اندازه آنها نام آشنایی نیست، اگرچه فناوری مدرن چیزهای زیادی برای تشکر از او دارد. او اغلب “پدر برق” نامیده می‌شود.
یک واقعیت جالب: فارادی در واقع یکی از قهرمانان آلبرت انیشتین بود – او حتی تصویری از فارادی در اتاق مطالعه‌اش آویزان کرده بود!
فارادی در سال 1791 در خارج از لندن، انگلستان متولد شد. خانواده او مرفه نبود و به عنوان سومین فرزند از چهار فرزند، او فقط تحصیلات ابتدایی دریافت کرد.
در 14 سالگی، او شاگرد یک صحاف و کتابفروش محلی شد. به دلیل این شاگردی، فارادی به کتاب‌های علمی متعددی دسترسی داشت که از آنها برای آموزش خود در مورد الکترومغناطیس استفاده کرد و او را به یکی از بزرگترین و تأثیرگذارترین ذهن‌های علمی تمام دوران تبدیل کرد.
الکترومغناطیس چیست؟
یک میدان الکترومغناطیسی اساساً انرژی نامرئی است که در امواج الکترومغناطیسی از طریق هوا حرکت می‌کند. این انرژی، تابش نامیده می‌شود و قدرت آن بر اساس فرکانس موج متغیر است.
موج الکترومغناطیسی در واقع از دو میدان انرژی تشکیل شده است که عمود بر یکدیگر حرکت می‌کنند: یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی. الکترومغناطیس، برهم‌کنش این دو میدان یا جریان است.
تابش میدان الکترومغناطیسی یا تابش EMF، به میدان‌های فرکانس رادیویی (RF) و میدان‌های فرکانس بسیار پایین (ELF) اشاره دارد که توسط فناوری هنگام انتقال نیرو و داده ساطع می‌شوند.
در ابتدا، این تابش برای بدن انسان خطرناک تلقی نمی‌شد، زیرا فرکانس آن برای یونیزه کردن (شکافتن) و آسیب رساندن به سلول‌ها بسیار پایین بود.
با این حال، اکنون تحقیقات نشان می‌دهد که این فرکانس پایین انرژی می‌تواند فرآیندها و ارتباطات سلولی را از نظر بیولوژیکی تغییر دهد.
فارادی: پدر الکترومغناطیس
فارادی سهم‌های بسیاری در زمینه الکترومغناطیس داشت، از جمله آزمایش او با اتاق پوشیده از فلز که القای الکترومغناطیسی را نشان داد، که او در سال 1831 کشف کرد.
فارادی فرمول‌بندی کرد که تغییر یک میدان مغناطیسی، یک میدان الکتریکی تولید می‌کند. در آزمایش خود، او دو سیم پیچ عایق را دور یک حلقه آهنی پیچید. پس از عبور جریان الکتریکی از طریق یک سیم پیچ، جریان لحظه‌ای در سیم پیچ دیگر القا شد. اگر او یک آهنربا را از طریق یک حلقه سیم حرکت می‌داد، جریان الکتریکی در آن سیم جریان می‌یافت.
این قانون فارادی را نشان داد: یک رسانا که در یک میدان مغناطیسی متغیر قرار می‌گیرد (یا از طریق یک میدان مغناطیسی ثابت حرکت می‌کند)، باعث تولید ولتاژ در سراسر رسانا می‌شود. این فرآیند القای الکترومغناطیسی، به نوبه خود، جریان الکتریکی را القا می‌کند.
این کشف، پایه‌ای برای اختراعات آینده فارادی، از جمله اختراع قفس فارادی در سال 1836، یکی از بزرگترین دستاوردهای فارادی، ایجاد کرد.
قفس فارادی چیست؟
قفس‌های فارادی مفاهیم القای الکترومغناطیسی را نشان می‌دهند و مفهوم القای الکترواستاتیک، که به میدان‌های الکتریکی می‌پردازد، را تقویت می‌کنند.
القای الکترواستاتیک
القای الکترواستاتیک توضیح می‌دهد که وقتی یک جریان باردار الکتریکی یا میدان الکتریکی به یک رسانا نزدیک می‌شود، چه اتفاقی می‌افتد.
ذرات مثبت و منفی در رسانا از هم جدا می‌شوند، و هر بار جسم نزدیک‌شونده که باشد، ذره مخالف به سمت آن هجوم می‌برد.
به عنوان مثال، اگر میدان نزدیک‌شونده بار مثبت داشته باشد، الکترون‌ها (ذرات منفی) به سمت آن هجوم می‌برند. از آنجایی که الکترون‌ها دیگر در بقیه رسانا وجود ندارند، رسانا بار مثبت خواهد داشت.
این امر یک میدان الکتریکی مخالف با جسم خارجی ایجاد می‌کند و داخل قفس را از میدان خارجی عایق می‌کند.
فارادی کشف کرد که یک میدان الکتریکی ورودی توسط رسانا منحرف می‌شود، زیرا میدان الکتریکی الکترون‌ها را در رسانا مجدداً مرتب می‌کند تا هر بار داخل رسانا را خنثی کند. قفس‌های فارادی بار الکتریکی را گرفته و به جای اینکه اجازه دهند از آن عبور کند، آن را در اطراف قفس توزیع می‌کنند.
فارادی همچنین این پدیده را با یک آزمایش سطل یخ در سال 1843 نشان داد.
القای الکترومغناطیسی
با این حال، این فقط نیمی از معادله را هنگام صحبت از انرژی EMF توضیح می‌دهد. وقتی یک میدان مغناطیسی به قفس فارادی می‌رسد، اتفاق دیگری می‌افتد.
همانطور که قبلاً اشاره کردیم، یک میدان مغناطیسی متحرک همیشه جریانی را در رساناها ایجاد می‌کند. این جریان، جریان گردابی نامیده می‌شود و یک میدان مغناطیسی مخالف ایجاد می‌کند تا امواج را از داخل قفس مسدود کند.
بنابراین قفس‌های فارادی قادر به مسدود کردن میدان‌های الکترومغناطیسی هستند.
قفس‌های سبک فارادی می‌توانند انواع و سطوح مختلفی داشته باشند. مواد مورد استفاده برای ساخت “قفس” به طول یا فرکانس امواجی که می‌خواهید از ورود آنها جلوگیری کنید و میزان فرکانسی که می‌خواهید مسدود شود، بستگی دارد.
برای مسدود کردن این فرکانس‌های مختلف در سطوح تضعیف مختلف، نوع ماده رسانا مورد استفاده، ابعاد ماده و اندازه سوراخ‌های موجود در ماده همگی نقش دارند. سوراخ‌ها می‌توانند از یک زیرلایه پیوسته بدون سوراخ‌های قابل مشاهده تا یک قفس واقعی با سوراخ‌های بزرگ به عرض یک فوت یا بیشتر متغیر باشند!
فلزات مختلف سطوح مختلفی از رسانایی دارند. طلا از بالاترین رسانایی در بین فلزات برخوردار است، پس از آن نقره و سپس مس قرار دارند. آلومینیوم نیز رسانای بسیار خوبی برای امواج فرکانس رادیویی است. با این حال، EMFها می‌توانند مستقیماً از فولاد و سرب عبور کنند (حتی اگر سرب بتواند فرکانس‌های اشعه ایکس را مسدود کند). هرچه رسانایی بیشتر باشد، احتمال عبور تابش الکترومغناطیسی از قفس کمتر است.
علاوه بر این، وجود سوراخ‌ها ممکن است به طول موج‌ها اجازه دهد تا به زیر سطح عبور کنند. هر چه سوراخ‌ها کوچکتر باشند، طول موج برای عبور باید کوتاه‌تر باشد. با بزرگتر شدن سوراخ‌ها، طول موج‌های بزرگتر (انرژی فرکانس پایین‌تر) می‌توانند عبور کنند. به همین دلیل، قفس‌های فارادی را می‌توان به عنوان “فیلترهای عبور بالا” در نظر گرفت.
در ابتدایی‌ترین سطح، فیلترهای عبور بالا به سیگنال‌های فرکانس بالا اجازه عبور می‌دهند، اما سیگنال‌های فرکانس پایین را مسدود می‌کنند.
قفس فارادی به عنوان محافظ EMF
از آنجا که قفس‌های فارادی میدان‌های الکترومغناطیسی را مجدداً توزیع می‌کنند، هنگام محافظت در برابر EMFها (تابش میدان الکترومغناطیسی)، که از هر دستگاه الکترونیکی ساطع می‌شوند، پیامدهای مهمی وجود دارد.
قفس‌های فارادی کامل که یک شخص یا دستگاه را به طور کامل احاطه می‌کنند، در صورت استفاده از مواد مناسب، می‌توانند به طور بالقوه 100٪ تابش EMF را مسدود کنند. با این حال، هر دستگاهی در داخل قفس کار نمی‌کند، زیرا سیگنال‌های مورد نیاز برای سرویس نیز مسدود می‌شوند.
خبر خوب این است که ما هنوز می‌توانیم از مفاهیم کشف شده توسط فارادی برای ساخت یک سپر دو بعدی به جای قفس استفاده کنیم، سپری که می‌تواند به عنوان یک دیوار برای مسدود کردن تابش EMF که از یک طرف می‌آید، عمل کند. البته این سپر باید دارای ویژگی‌های مواد مناسب برای مسدود کردن فرکانس‌های EMF خاص ساطع شده توسط فناوری باشد.
نمونه هایی از زندگی واقعی قفس ها و سپرهای فارادی
- خودروها و هواپیماها. هر دو این وسایل حمل و نقل اساساً قفس‌های فلزی غول‌پیکر هستند. به دلیل بدنه فلزی‌شان، خودروها و هواپیماها از صاعقه محافظت می‌شوند. اگر در هنگام طوفان در خودرو گیر افتادید یا هواپیمای شما از میان یک سیستم آب و هوایی عبور کرد، لازم نیست نگران آسیب دیدن از صاعقه باشید. اگر صاعقه به هر یک از این وسایل نقلیه برخورد کند، به سادگی انرژی خود را مجدداً توزیع می‌کند و به نفوذ به زمین ادامه می‌دهد. در حالی که تابش EMF با صاعقه الکترواستاتیک متفاوت عمل می‌کند، همچنان می‌تواند در داخل وسیله نقلیه گیر کند و قرار گرفتن در معرض تابش داخلی را افزایش دهد. به عنوان مثال، برای خبرنگاران سیار که در ون‌های رسانه‌ای بزرگ با صفحه‌نمایش، آنتن و انتقال بی‌سیم کار می‌کنند، EMFها در داخل ون با آنها گیر می‌کنند (با مقداری نشت).
- آسانسورها. آنها عمداً به عنوان قفس فارادی ساخته نمی‌شوند، اما از آنجا که آسانسورها با مواد رسانای فلزی ساخته می‌شوند، اثر قفس فارادی را ایجاد می‌کنند. در بسیاری از موارد، آسانسورها به “مناطق مرده” برای دستگاه‌هایی تبدیل می‌شوند که به سیگنال‌های الکترومغناطیسی خارجی نیاز دارند—به عنوان مثال تلفن‌های همراه و رادیوهای دو طرفه. بنابراین، دفعه بعد که می‌خواهید وارد آسانسور شوید، مطمئن شوید که پیام مهمی ارسال شده و تماس‌هایتان را تمام کنید.
- دستگاه های مایکروویو. همانطور که قفس‌های فارادی می‌توانند بار الکتریکی را خارج نگه دارند، می‌توانند آن را در داخل نیز نگه دارند. مایکروویوها اثر معکوس را نشان می‌دهند. این وسیله آشپزخانه رایج خانگی به عنوان یک قفس فارادی ساخته شده است تا بخش عمده‌ای از مایکروویوها را برای پخت غذا در داخل نگه دارد، به جای اینکه به بیرون اتاق تابش کنند. با این حال، نشان داده شده است که مقداری تابش اضافی نشت می‌کند—FDA حداکثر 5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع نشت را تأیید کرده است. یک آزمایش خوب این است که تلفن همراه خود را داخل مایکروویو قرار دهید، در آن را ببندید و با آن تماس بگیرید. اگر زنگ بخورد، مقداری سیگنال RF/مایکروویو در حال فرار است.
- اتاق‌های MRI. دستگاه‌های تصویربرداری رزونانس مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی قوی و امواج رادیویی برای ایجاد تصاویر از بدن استفاده می‌کنند. اتاق‌های اطراف دستگاه‌ها به عنوان قفس فارادی ساخته می‌شوند تا از تداخل منابع خارجی فرکانس‌های رادیویی با تصویربرداری جلوگیری کنند، و همچنین از فرار مقادیر اضافی تابش از اتاق MRI جلوگیری کنند.
- ساختمان‌های نظامی و دولتی. اتاق‌های جنگ، مراکز عملیات، مراکز داده، دفاتر کنفرانس و اتاق‌های جاسوسی صنعتی، امنیتی و اطلاعاتی اغلب به عنوان قفس‌های فارادی ساخته می‌شوند. این کار برای محافظت از اتاق و اطلاعات محرمانه یا بسیار ارزشمند داخل آن در برابر هک، خرابکاری، شنود، سرقت الکترونیکی یا حتی جنگ سایبری و حملات EMP (پالس الکترومغناطیسی) انجام می‌شود. آنها معمولاً سقف و دیوارهای فولادی دارند تا علاوه بر ارائه سطحی از محافظت در برابر EMP، از نظارت الکترونیکی نیز جلوگیری کنند. این امر به عنوان TEMPEST (مواد الکترونیکی مخابراتی محافظت شده در برابر انتشار انتقال‌های کاذب) شناخته می‌شود. با این حال، افرادی که در قفس‌های فارادی با تجهیزات الکترونیکی کار می‌کنند، اغلب در معرض خطر بسیار بیشتری از قرار گرفتن در معرض EMF هستند، زیرا تابش‌ها در داخل ساختمان به دام می‌افتند.
- محصولات محافظت در برابر تابش EMF. اکثر محصولات محافظت در برابر تابش EMF در واقع قفس فارادی در نظر گرفته نمی‌شوند، بلکه به عنوان یک سپر نوع فارادی در نظر گرفته می‌شوند. آنها از محافظ رسانا استفاده می‌کنند که فقط در یک طرف دستگاه قرار می‌گیرد، بنابراین بار الکترومغناطیسی ساطع شده از دستگاه نمی‌تواند در طرف دیگر وجود داشته باشد.
