La física d'un recinte de làmina
Una gàbia de Faraday funciona per dos mecanismes: la reflexió de l'ona incident a la superfície conductora i l'absorció de l'energia que penetra. L'efectivitat del blindatge s'expressa com SE en decibels, la suma de la pèrdua de reflexió, la pèrdua d'absorció i una correcció de reflexió múltiple. La pèrdua de reflexió domina per a un conductor prim en un camp d'ona plana o de baixa impedància, mentre que la pèrdua d'absorció creix amb el gruix i la freqüència. Per a alumini amb una conductivitat d'uns 3,77 x 107S/m i una permeabilitat relativa d'1, tots dos mecanismes estan disponibles a partir d'un material d'uns pocs micròmetres de gruix.
Profunditat de la pell: per què el gruix de la làmina només importa a baixa freqüència
La profunditat de la pell és la profunditat a la qual la densitat de corrent ha caigut a 1/e del seu valor superficial, i ve donada per l'arrel quadrada de 2 dividida pel producte de la freqüència angular, la permeabilitat i la conductivitat. Per a l'alumini els valors resultants són:
| Freqüència | Profunditat de pell en alumini | Pèrdua d'absorció per làmina de 12 micròmetres |
|---|---|---|
| 10 kHz | uns 0,8 mm | inferior a 1 dB |
| 1 MHz | uns 82 micròmetres | aproximadament 1 dB |
| 100 MHz | uns 8 micròmetres | uns 13 dB |
| 1 GHz | uns 2,6 micròmetres | uns 40 dB |
La pèrdua d'absorció s'estima en 8,7 vegades el gruix dividit per la profunditat de la pell, en decibels. La taula mostra el límit pràctic: el paper domèstic estàndard d'uns 10 a 15 micròmetres de gruix es comporta com un escut elèctricament gruixut a partir d'aproximadament 10 MHz, però a les freqüències de xarxa i d'àudio és molt més prim que una profunditat de pell i la major part de l'atenuació prové de la reflexió i de la connexió a terra del recinte. És per això que un embolcall d'alumini pot bloquejar el senyal d'un telèfon mòbil a l'interior i encara fallar greument com a blindatge magnètic de baixa freqüència.
On es filtra les gàbies reals de Faraday
La pèrdua dominant de blindatge en un recinte de làmina no és la làmina sinó les discontinuïtats. Qualsevol obertura més gran d'aproximadament una vintena part d'una longitud d'ona actua com una antena ranura i filtra de manera eficient. A 1 GHz, una longitud d'ona és d'uns 300 mm, de manera que un espai de 15 mm ja és un radiador seriós. Altres camins de fuites són la superposició de la costura, que ha de ser d'almenys 10 mm i lligada o plegada en lloc de simplement acoblada; entrades de cables, que s'han de filtrar o acabar a la paret del tancament; i la pel·lícula d'òxid de l'alumini, que creix de 2 a 4 nm immediatament a l'aire i produeix un contacte rectificador i d'alta resistència, tret que l'articulació estigui unida mecànicament o assistida amb un compost conductor.
Materials, Formes i Pràctiques Constructives
El paper d'alumini, la pel·lícula metal·litzada i el teixit conductor apareixen en els productes de blindatge. El paper d'alumini ofereix la conductivitat més alta i el rendiment més estable a llarg termini, però s'arruga i punxa fàcilment i el plegat pot trencar una capa molt prima. La pel·lícula metal·litzada és més flexible i resisteix millor la fatiga de flexió, a costa d'una menor conductivitat. Per als envasos que també han de controlar la descàrrega estàtica, la construcció habitual és una capa exterior d'un polímer dissipador d'estàtica sobre una capa metàl·lica, i aquestes bosses estan qualificades segons ANSI/ESD S541 per a la protecció de dispositius sensibles a descàrregues electrostàtiques. Les costures d'un recinte construït es fan per plegat, amb cinta adhesiva conductora o per soldadura, i la continuïtat de la unió s'ha de verificar mitjançant la mesura de la resistència a través de la costura.
Prova de l'efectivitat del blindatge
El blindatge a nivell de material es mesura mitjançant el mètode de línia de transmissió coaxial de brida d'ASTM D4935, que ofereix una eficàcia de blindatge contra una ona plana en un rang de freqüència definit, normalment de 30 MHz a 1,5 GHz. El rendiment del nivell del recinte es mesura amb els mètodes de IEEE 299, que utilitza antenes calibrades dins i fora del recinte i informa de l'atenuació a freqüències definides. Tots dos mètodes informen de decibels, i una xifra citada no té sentit sense el rang de freqüències, el mètode de prova i el tipus de camp, perquè una gàbia de làmina que mesura 60 dB a 900 MHz pot mesurar només uns quants decibels a 50 Hz.
Límits i malentesos comuns
Tres punts s'entenen habitualment malament. Primer, una gàbia de Faraday bloqueja els camps elèctrics i les ones de ràdio, però no bloqueja un camp magnètic estàtic. En segon lloc, el paper d'alumini no es protegeix només amb la presa de terra; el recinte ha de ser elèctricament continu i un embolcall flotant drenarà la càrrega només si està unit a un potencial definit. En tercer lloc, embolicar un dispositiu que transmet el seu propi senyal no el silenciarà en totes les condicions, perquè una capa de làmina propera a una antena desajusta l'antena i pot canviar l'espectre d'emissió en lloc d'absorbir-lo. Qualsevol aplicació de blindatge que afecti un producte certificat s'ha de verificar per mesura, no per suposició.
Preguntes freqüents
Q:Quin gruix ha de tenir el paper d'alumini per bloquejar el senyal d'un telèfon mòbil?
R: Una sola capa de paper d'alumini normal d'uns 10 a 15 micròmetres de gruix és generalment suficient per sobre d'uns pocs centenars de megahertz, però el resultat depèn de com estigui completament embolicat l'article. La cobertura i la superposició de les costures són més importants que afegir una segona capa.
Q:El paper d'alumini bloqueja els camps magnètics?
R: Només camps magnètics alternatius, i només en la mesura que el seu gruix s'acosta a una profunditat de pell. Un camp estàtic no s'atenua, i a 50 o 60 Hz la profunditat de la pell en alumini és de l'ordre de 10 mm, molt més gruixuda que qualsevol làmina.
Q:Per què de vegades un embolcall d'alumini no protegeix encara que sembli tancat?
R: Dominen els buits, els plecs i les costures. Una obertura més gran que aproximadament una vintena part d'una longitud d'ona irradia fortament, i la pel·lícula d'òxid natural de l'alumini crea un contacte d'alta resistència a les costures tret que la junta estigui unida.
Q:Quins estàndards s'utilitzen per mesurar l'efectivitat del blindatge?
R: ASTM D4935 mesura l'efectivitat de blindatge d'un material pla amb un suport coaxial de brida en un rang de freqüència definit, i IEEE 299 defineix mètodes per mesurar l'efectivitat de blindatge d'un recinte.
Q:Quina diferència hi ha entre una bossa de blindatge de làmina i una bossa de pel·lícula metal·litzada?
R: Una capa de làmina proporciona una conductivitat més alta i una atenuació més estable, però es doblega i es pot esquerdar. Una pel·lícula metal·litzada és més flexible i sobreviu millor a plegaments repetits, amb menor conductivitat. Les bosses per a dispositius sensibles a l'estàtica estan qualificades per ANSI/ESD S541.
Q:Es pot utilitzar paper d'alumini per protegir una habitació sencera?
R: Pot proporcionar atenuació, però només si les sis superfícies són contínues i cada entrada de cable es filtra al límit. El blindatge pràctic de l'habitació utilitza panells de làmina rígida, costures unides i penetracions filtrades en lloc de làmines soltes.
