Jaula de Faraday

Faraday cage demonstration on Volunteers in the Palais de la Découverte in Paris

EMI blindaje alrededor de una sala de máquinas MRI

Escudo de Faraday en una central eléctrica en Heimbach, Alemania

Las bolsas Faraday son un tipo de jaula Faraday hecha de tela metálica flexible. Normalmente se utilizan para bloquear el control remoto o la alteración de dispositivos inalámbricos recuperados en investigaciones penales, pero también puede ser utilizado por el público en general para proteger contra el robo de datos o mejorar la privacidad digital.

Una jaula de Faraday o escudo de Faraday es un recinto utilizado para bloquear campos electromagnéticos. Un escudo de Faraday puede estar formado por una cubierta continua de material conductor, o en el caso de una jaula de Faraday, por una malla de dichos materiales. Las jaulas de Faraday llevan el nombre del científico Michael Faraday, quien las inventó en 1836.

Una jaula de Faraday funciona porque un campo eléctrico externo hace que las cargas eléctricas dentro del material conductor de la jaula se distribuyan para cancelar el efecto del campo en el interior de la jaula. Este fenómeno se utiliza para proteger equipos electrónicos sensibles (por ejemplo, receptores de RF) de interferencias de radiofrecuencia (RFI) externas, a menudo durante las pruebas o la alineación del dispositivo. También se utilizan para proteger a personas y equipos contra corrientes eléctricas reales, como rayos y descargas electrostáticas, ya que la jaula de cerramiento conduce la corriente por el exterior del espacio cerrado y ninguna pasa por el interior.

Las jaulas de Faraday no pueden bloquear campos magnéticos estables o que varían lentamente, como el campo magnético de la Tierra (una brújula seguirá funcionando en el interior). Sin embargo, protegen en gran medida el interior de la radiación electromagnética externa si el conductor es lo suficientemente grueso y los agujeros son significativamente más pequeños que la longitud de onda de la radiación. Por ejemplo, ciertos procedimientos de prueba informática forense de sistemas electrónicos que requieren un entorno libre de interferencias electromagnéticas pueden llevarse a cabo dentro de una sala protegida. Estos cuartos son espacios que están completamente cerrados por una o más capas de malla metálica fina o chapa perforada. Las capas de metal están conectadas a tierra para disipar cualquier corriente eléctrica generada por campos electromagnéticos externos o internos y, por lo tanto, bloquean una gran cantidad de interferencias electromagnéticas. Véase también blindaje electromagnético. Proporcionan menos atenuación de las transmisiones salientes que las entrantes: pueden bloquear las ondas de pulso electromagnético (EMP) de los fenómenos naturales de manera muy efectiva, pero un dispositivo de rastreo, especialmente en frecuencias más altas, puede penetrar desde el interior de la jaula (por ejemplo, algunos teléfonos celulares operar en varias frecuencias de radio, de modo que mientras una frecuencia no funcione, otra lo hará).

La recepción o transmisión de ondas de radio, una forma de radiación electromagnética, hacia o desde una antena dentro de una jaula de Faraday está muy atenuada o bloqueada por la jaula; sin embargo, una jaula de Faraday tiene una atenuación variable según la forma de onda, la frecuencia o la distancia desde el receptor/transmisor y la potencia del receptor/transmisor. Las transmisiones de frecuencia de campo cercano y alta potencia como HF RFID tienen más probabilidades de penetrar. Las jaulas sólidas generalmente atenúan los campos en un rango más amplio de frecuencias que las jaulas de malla.

Historia

En 1836, Michael Faraday observó que el exceso de carga en un conductor cargado residía solo en su exterior y no tenía influencia en nada encerrado dentro de él. Para demostrar este hecho, construyó una habitación revestida con una hoja de metal y permitió que descargas de alto voltaje de un generador electrostático golpearan el exterior de la habitación. Usó un electroscopio para mostrar que no había carga eléctrica presente en el interior de las paredes de la habitación.

Aunque este efecto de jaula se ha atribuido a los famosos experimentos con cubos de hielo de Michael Faraday realizados en 1843, fue Benjamin Franklin en 1755 quien observó el efecto al hacer descender una bola de corcho sin carga suspendida de un hilo de seda a través de una abertura en una lata de metal cargada eléctricamente. En sus palabras, "el corcho no fue atraído hacia el interior de la lata como lo habría sido hacia el exterior, y aunque tocó el fondo, cuando se extrajo no se encontró que estuviera electrificado (cargado) por ese toque, como lo hubiera sido al tocar el exterior. El hecho es singular." Franklin había descubierto el comportamiento de lo que ahora llamamos jaula o escudo de Faraday (basado en los experimentos posteriores de Faraday que duplicaron el corcho y la lata de Franklin).

Además, en 1754 el abate Nollet publicó un relato temprano de un efecto atribuible al efecto jaula en sus Leçons de physique expérimentale.

Operación

Animación mostrando cómo una jaula Faraday (box) funciona. Cuando un campo eléctrico externo (flechas) se aplica, los electrones (Pequeñas bolas) en el metal se mueve al lado izquierdo de la jaula, dándole una carga negativa, mientras que la carga desequilibrada restante de los núcleos da al lado derecho una carga positiva. Estos cargos inducidos crean un campo eléctrico opuesto que cancela el campo eléctrico externo en toda la caja.

Continuo

Un escudo de Faraday continuo es un conductor hueco. Los campos electromagnéticos aplicados externa o internamente producen fuerzas en los portadores de carga (generalmente electrones) dentro del conductor; las cargas se redistribuyen en consecuencia debido a la inducción electrostática. Las cargas redistribuidas reducen en gran medida el voltaje dentro de la superficie, hasta cierto punto que depende de la capacitancia; sin embargo, no se produce la cancelación total.

Cargos interiores

Si se coloca una carga dentro de un escudo de Faraday sin conexión a tierra sin tocar las paredes (denotemos esta cantidad de carga como +Q), la cara interna del escudo se carga con −Q, lo que genera líneas de campo que se originan en la carga y extendiéndose a las cargas dentro de la superficie interna del metal. Las trayectorias de la línea de campo en este espacio interior (hasta las cargas negativas del punto final) dependen de la forma de las paredes de contención internas. Simultáneamente se acumula +Q en la cara exterior del escudo. La distribución de cargas en la cara exterior no se ve afectada por la posición de la carga interna dentro del recinto, sino que está determinada por la forma de la cara exterior. Entonces, para todos los efectos, el escudo de Faraday genera el mismo campo eléctrico estático en el exterior que generaría si el metal estuviera simplemente cargado con +Q. Consulte el experimento del cubo de hielo de Faraday, por ejemplo, para obtener más detalles sobre las líneas de campo eléctrico y el desacoplamiento del exterior del interior. Tenga en cuenta que las ondas electromagnéticas no son cargas estáticas.

Si la jaula está conectada a tierra, el exceso de carga se neutralizará ya que la conexión a tierra crea una conexión equipotencial entre el exterior de la jaula y el entorno, por lo que no hay voltaje entre ellos y, por lo tanto, tampoco campo. La cara interna y la carga interna seguirán siendo las mismas, por lo que el campo se mantiene adentro.

Campos exteriores

Profundidad de la piel vs. frecuencia para algunos materiales a temperatura ambiente, línea vertical roja denota 50 Hz frecuencia:

• Mn-Zn – ferrite magnéticamente suave
• Al – aluminio metálico
• Cu - cobre metálico
• acero 410 – acero inoxidable magnético
• Fe-Si – acero eléctrico orientado al grano
• Fe–Ni – permalloy de alta permeabilidad (80%Ni–20%Fe)

La eficacia del blindaje de un campo eléctrico estático es en gran medida independiente de la geometría del material conductor; sin embargo, los campos magnéticos estáticos pueden penetrar el escudo por completo.

En el caso de campos electromagnéticos variables, cuanto más rápidas sean las variaciones (es decir, cuanto más altas sean las frecuencias), mejor resistirá el material la penetración del campo magnético. En este caso el blindaje también depende de la conductividad eléctrica, de las propiedades magnéticas de los materiales conductores utilizados en las jaulas, así como de sus espesores.

Se puede obtener una buena idea de la efectividad de un escudo de Faraday considerando la profundidad de la piel. Con la profundidad de la piel, la corriente que fluye está principalmente en la superficie y decae exponencialmente con la profundidad a través del material. Debido a que un escudo de Faraday tiene un grosor finito, esto determina qué tan bien funciona el escudo; un escudo más grueso puede atenuar mejor los campos electromagnéticos y a una frecuencia más baja.

Jaula de Faraday

Las jaulas de Faraday son escudos de Faraday que tienen agujeros y, por lo tanto, son más complejos de analizar. Mientras que los escudos continuos esencialmente atenúan todas las longitudes de onda cuya profundidad de piel en el material del casco es menor que el grosor del casco, los agujeros en una jaula pueden permitir el paso de longitudes de onda más cortas o establecer 'campos evanescentes'. (campos oscilantes que no se propagan como ondas EM) justo más allá de la superficie. Cuanto más corta es la longitud de onda, mejor pasa a través de una malla de un tamaño determinado. Por lo tanto, para trabajar bien en longitudes de onda cortas (es decir, frecuencias altas), los agujeros en la jaula deben ser más pequeños que la longitud de onda de la onda incidente.

Ejemplos

• Las jaulas Faraday se utilizan rutinariamente en la química analítica para reducir el ruido mientras se realizan mediciones sensibles.
• Las jaulas Faraday, más específicamente dobles bolsas de costura Faraday, se utilizan a menudo en forenses digitales para prevenir el control remoto y la alteración de evidencia digital criminal.
• Los estándares del Tempest de Estados Unidos y la OTAN, y estándares similares en otros países, incluyen jaulas Faraday como parte de un esfuerzo más amplio para proporcionar seguridad de emisiones para las computadoras.
• Los compartimentos de pasajeros de automóviles y aviones son esencialmente jaulas Faraday, protegiendo a los pasajeros de cargas eléctricas, como relámpagos
• Los componentes electrónicos en automóviles y aeronaves utilizan jaulas Faraday para proteger las señales de interferencia. Los componentes sensibles pueden incluir cerraduras de puerta inalámbricas, sistemas de navegación/GPS y sistemas de aviso de salida de carril. Las jaulas y escudos Faraday también son críticos para los sistemas de infotainment del vehículo (por ejemplo, radio, Wi-Fi y unidades de visualización GPS), que pueden diseñarse con la capacidad de funcionar como circuitos críticos en situaciones de emergencia.
• Una bolsa de refuerzo (puerta de montaje forrada con lámina de aluminio) actúa como una jaula Faraday. A menudo es utilizado por los montacargas para robar artículos etiquetados con RFID.
  • Los contenedores similares se utilizan para resistir el esquí RFID.
• Los ascensores y otras habitaciones con marcos de conducción metálica y paredes simulan un efecto de jaula Faraday, lo que conduce a una pérdida de señal y "zonas muertas" para los usuarios de teléfonos celulares, radios y otros dispositivos electrónicos que requieren señales electromagnéticas externas. Durante el entrenamiento, los bomberos y otros primeros equipos son advertidos de que sus radios de dos vías probablemente no funcionarán dentro de ascensores y para hacer asignaciones para eso. Las jaulas de Faraday pequeñas y físicas son utilizadas por ingenieros electrónicos durante las pruebas de equipos para simular un entorno de este tipo para asegurarse de que el dispositivo maneja con gracia estas condiciones.
• La ropa conductiva adecuada también puede formar una jaula protectora Faraday. Algunos linemenes eléctricos llevan trajes Faraday, que les permiten trabajar en líneas de energía vivas y de alta tensión sin riesgo de electrocución. El traje evita que la corriente eléctrica fluya a través del cuerpo, y no tiene límite de tensión teórico. Los hombres de línea han trabajado con éxito incluso la tensión más alta (línea Ekibastuz-Kokshetau línea 1150 kV) de Kazajstán de forma segura.
• Austin Richards, físico en California, creó un traje de Faraday metálico en 1997 que lo protege de las descargas de la bobina de tesla. En 1998, nombró al personaje en el traje Doctor MegaVolt y ha realizado por todo el mundo y en Burning Man nueve años diferentes.
• La sala de escaneo de una máquina de resonancia magnética (MRI) está diseñada como una jaula Faraday. Esto evita que se añadan señales externas de RF (frecuencia radiológica) a los datos recogidos del paciente, lo que afectaría la imagen resultante. Los técnicos son entrenados para identificar los artefactos característicos creados en imágenes si la jaula Faraday se daña, como durante una tormenta.
• Un horno de microondas utiliza un escudo parcial de Faraday (en cinco de los seis lados de su interior) y una jaula parcial de Faraday, consistente en una malla de alambre, en el sexto lado (la ventana transparente), para contener la energía electromagnética dentro del horno y para proteger al usuario de la exposición a la radiación de microondas.
• Las bolsas de plástico que están impregnadas de metal se utilizan para encerrar dispositivos de recogida de peaje electrónico cuando los peajes no deben ser cargados a esos dispositivos, como durante el tránsito o cuando el usuario está pagando en efectivo.
• El escudo de un cable en pantalla, como cables USB o el cable coaxial utilizado para televisión por cable, protege a los conductores internos del ruido eléctrico externo e impide que las señales RF se escapen.
• Los componentes electrónicos de algunos instrumentos musicales, como en una guitarra eléctrica, están protegidos por jaulas de faraday hechas de láminas de cobre o aluminio que protegen las pastillas electromagnéticas del instrumento de interferencia de altavoces, amplificadores, luces de escenario y otros equipos musicales.
• Algunos edificios, como las prisiones, se construyen como una jaula de faraday porque tienen razones para bloquear tanto las llamadas entrantes como las llamadas de los reclusos.