ファラデーケージ
パリのデクーベルト宮殿でボランティアによるファラデーケージのデモ
米国標準局（現在のNIST）のファラデーケージは、精密な計測機器を電磁場から保護するために使われています。
静電気防止袋の中に入ったコンピューター回路カード。静電気から敏感な電子機器を保護するために使われるファラデーケージを形成する導電性プラスチックの袋。

ファラデーケージまたはファラデーシールドは、電磁場を遮断するために用いられる筐体です。ファラデーシールドは導電性材料で連続的に覆うことで形成されますが、ファラデーケージの場合は、そのような材料のメッシュで形成されます。ファラデーケージは、1836年に初めてファラデーケージを製作した科学者マイケル・ファラデーにちなんで名付けられました。 [ 1 ]

ファラデーケージは、外部電界によってケージの導電材料内の電荷が分散され、ケージ内部の電界効果を打ち消すように作用します。この現象は、機器のテストや調整時に外部からの無線周波数干渉（RFI）から高感度電子機器（例えばRF受信機）を保護するために利用できます。ファラデーケージは、ケージ内部に電流を流さず、ケージの外側を流れる電流を遮断するため、落雷や静電放電などの電流から人や機器を保護するためにも使用されます。

ファラデーケージは、地球磁場のような安定した磁場やゆっくりと変化する磁場を遮断することはできません（コンパスはケージ内でも機能します）。しかし、導体が十分に厚く、穴が電磁波の波長よりも著しく小さい場合、内部を外部の電磁波からかなり遮断することができます。例えば、電磁干渉のない環境を必要とする電子システムの特定のコンピュータフォレンジック試験手順は、遮蔽室で行うことができます。これらの部屋は、1層以上の細かい金属メッシュまたは穴あき金属板で完全に囲まれた空間です。金属層は接地されており、外部または内部の電磁場から発生する電流を消散させることで、電磁干渉を大幅に遮断します（電磁シールドも参照）。ファラデーケージは、受信よりも送信の減衰が少なく、自然現象による電磁パルス（EMP）波を非常に効果的に遮断できますが、特に高周波数では、追跡装置がケージ内から侵入できる可能性があります（例えば、一部の携帯電話は様々な無線周波数で動作するため、ある周波数では動作しなくても、別の周波数では動作する場合があります）。

ファラデーケージ内のアンテナへの電波（電磁放射の一種）の送受信は、ケージによって大きく減衰または遮断されます。しかし、ファラデーケージの減衰量は、波形、周波数、受信機または送信機からの距離、および受信機または送信機の出力によって異なります。HF帯RFIDのような近距離場における高出力周波数伝送は、ファラデーケージを透過する可能性が高くなります。一般的に、ソリッドケージはメッシュケージよりも広い周波数範囲にわたって電磁波を減衰させます。

歴史

1754 年、ジャン アントワーヌ ノレは、彼の『身体実験』の中でケージ効果についての説明を発表しました。[ 2 ]

1755年、ベンジャミン・フランクリンは、絹糸に吊るした帯電していないコルク球を、帯電した金属缶の開口部から下ろすことで、この効果を観察しました。この現象はファラデーケージやシールドと似ています。[ 3 ]

1836年、マイケル・ファラデーは、帯電導体の過剰電荷は導体の外側にのみ存在し、内部の物質には影響を与えないことを発見しました。これを実証するために、彼は金属箔で覆われた部屋を作り、静電発生器からの高電圧放電を部屋の外側に照射しました。彼は検電器を用いて、部屋の壁の内側には電荷が存在しないことを示しました。

手術

ファラデーケージ（箱）の仕組みを示すアニメーション。外部電場（矢印）が加えられると、金属内の電子（小さな球）はケージの左側に移動し、負の電荷を帯びます。一方、原子核に残った不均衡な電荷は、右側に正の電荷を帯びます。これらの誘導電荷は、箱全体にわたって外部電場を打ち消す反対の電場を作り出します。

連続

連続ファラデーシールドは中空導体です。外部または内部から印加された電磁場は、導体内の電荷キャリア（通常は電子）に力を発生させます。電荷は静電誘導によって再分配されます。再分配された電荷は表面内の電圧を大幅に低下させますが、その程度は静電容量に依存します。ただし、完全に相殺されるわけではありません。[ 4 ]

内部料金

接地されていないファラデーシールド内に壁に触れずに電荷を置くと、シールドの内面が で帯電し、電荷から始まり金属の内面の電荷まで伸びる磁力線が生じます。この内部空間での磁力線の経路（終点の負電荷まで）は、内壁の形状によって決まります。同時に がシールドの外面に蓄積されます。外面における電荷の広がりは、筐体内の内部電荷の位置には影響されず、外面の形状によって決まります。そのため、事実上、ファラデーシールドは、金属が で単純に帯電した場合に発生するのと同じ静電場を外側に生成します。電界線と外部と内部の分離の詳細については、たとえばファラデーの氷のバケツの実験を参照してください。電磁波は静電荷ではないことに注意してください。 +質問{\displaystyle +Q}−質問{\displaystyle -Q}+質問{\displaystyle +Q}+質問{\displaystyle +Q}

ケージが接地されている場合、接地接続によってケージの外側と環境との間に等電位結合が形成されるため、余分な電荷は中和され、両者の間に電圧は発生せず、したがって電界も発生しません。ケージの内面と内部の電荷は変化しないため、電界はケージ内に保持されます。

屋外フィールド

室温でのいくつかの材料の表皮深さと周波数の関係。赤い縦線は 50 Hz の周波数を示します。

静電場の遮蔽の有効性は、導電性材料の形状にはほとんど依存しません。ただし、静磁場は遮蔽を完全に貫通する可能性があります。

変動する電磁場の場合、変動が速いほど（つまり周波数が高いほど）、材料の磁場透過に対する耐性は高くなります。この場合、シールド性能は、ケージに使用される導電性材料の電気伝導率、磁気特性、そして厚さにも依存します。

ファラデーシールドの有効性を示す良い例は、表皮深さを考慮することで得られます。表皮深さでは、電流は主に表面を流れ、物質の深さとともに指数関数的に減少します。ファラデーシールドの厚さは有限であるため、これがシールドの有効性を決定づけます。厚いシールドは電磁場をより効果的に、より低い周波数まで減衰させることができます。

ファラデーケージ

ファラデーケージはファラデーシールドに穴が開いているため、解析がより複雑になります。連続シールドは、船体材料の表皮深さが船体の厚さよりも小さい波長を基本的に減衰させますが、ケージの穴はより短い波長を透過させたり、表面のすぐ外側に「エバネッセント場」（電磁波として伝播しない振動場）を発生させたりすることがあります。波長が短いほど、一定サイズのメッシュをよりよく通過します。したがって、短波長（つまり高周波）で良好に機能させるには、ケージの穴は入射波の波長よりも小さくなければなりません。

例

グリーンバンク天文台の窓の上にあるファラデーケージ
  • ファラデーケージは、高感度測定を行う際のノイズを低減するために分析化学で日常的に使用されています。
  • ファラデーケージ、より具体的には二重対シームファラデーバッグは、犯罪デジタル証拠のリモートワイプや改ざんを防ぐためにデジタルフォレンジックでよく使用されます。
  • ファラデー バッグは、携帯電話のデジタル プライバシーの強化からクレジットカードのRFID スキミングからの保護まで、幅広い用途でデバイスを電磁波から保護するためにデバイスを収納するために使用される、金属材料で作られたシールドセキュリティ バッグです。
  • 米国および NATO のTempest規格、および他の国の同様の規格には、コンピューターの放射セキュリティを実現するための広範な取り組みの一環としてファラデーケージが含まれています。
  • 自動車や飛行機の客室は本質的にファラデーケージであり、雷などの電荷から乗客を保護します。
  • 自動車や航空機の電子部品では、干渉から信号を保護するためにファラデーケージが使用されています。特に敏感な部品には、ワイヤレスドアロック、ナビゲーション/GPSシステム、車線逸脱警報システムなどがあります。ファラデーケージとシールドは、車載インフォテインメントシステム（ラジオ、Wi-Fi、GPSディスプレイユニットなど）にも不可欠であり、緊急時には重要な回路として機能するように設計されている場合があります。[ 5 ] [ 6 ]
  • ブースターバッグ（アルミホイルで裏打ちされた買い物袋）はファラデーケージの役割を果たします。万引き犯は、RFIDタグ付きの商品を盗む際に、ブースターバッグをよく利用します。 [ 7 ]同様の容器がRFIDスキミング 対策にも使用されます。
  • エレベーターなどの金属製の導体フレームや壁でできた部屋は、ファラデーケージ効果を模倣し、携帯電話、ラジオ、その他外部からの電磁信号を必要とする電子機器のユーザーにとって、信号が途切れ、「デッドゾーン」が発生します。訓練では、消防士やその他の救急隊員は、双方向無線機がエレベーター内では動作しない可能性が高いため、その点を考慮するよう注意喚起されています。
  • 小さな物理的なファラデーケージは、電子機器のテスト中に電子技術者によって使用され、このような環境をシミュレートして、デバイスがこれらの条件を適切に処理できるかどうかを確認します。
  • 適切に設計された導電性衣服は、保護ファラデーケージを形成することもできます。一部の電力線作業員はファラデースーツを着用しており、これにより感電の危険なしに通電中の高圧送電線で作業することができます。このスーツは電流が体を通過するのを防ぎ、理論上の電圧制限はありません。電力線作業員は、最高電圧（カザフスタンのエキバストゥズ・コクシェタウ線1150kV）の送電線でも安全に作業することに成功しています。
  • 磁気共鳴画像（MRI）装置のスキャン室はファラデーケージとして設計されています。これにより、患者から収集されたデータに外部からのRF（無線周波数）信号が加わり、画像に影響を及ぼすのを防ぎます。技師は、雷雨などでファラデーケージが損傷した場合に、画像に生じる特徴的なアーティファクトを特定できるよう訓練を受けています。
  • 電子レンジは、内部の6面のうち5面に部分的なファラデーシールドを使用し、残りの6面（透明窓）には金網でできた部分的なファラデーケージを使用して、電子レンジ内の電磁エネルギーを閉じ込め、ユーザーをマイクロ波の被曝から保護します。[ 8 ]
  • 移動中やユーザーが現金で支払う場合など、電子料金収受装置に通行料を請求すべきでない場合には、金属を含浸させたビニール袋を使って電子料金収受装置を包む。
  • USBケーブルやケーブルテレビに使用される同軸ケーブルなどの遮蔽ケーブルのシールドは、内部導体を外部の電気ノイズから保護し、RF 信号が漏れるのを防ぎます。
  • エレキギターなどの一部の楽器の電子部品は、銅箔またはアルミ箔で作られたファラデーケージによって保護されており、楽器の電磁ピックアップをスピーカー、アンプ、舞台照明、その他の音楽機器からの干渉から保護します。
  • 刑務所などの建物の中には、囚人の携帯電話の発着信を遮断する必要があるため、ファラデーケージ構造になっているところもあります。[ 9 ] [ 10 ]グリーンバンク天文台の展示ホールは、電波望遠鏡の運用を妨害しないようにファラデーケージ構造になっています。[ 11 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「マイケル・ファラデー」Encarta . 2006年5月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年11月20日閲覧。
  2. ^ Mascart、Éleuthère Élie Nicolas (1876)。Traité d'électricité statique。 G.マッソン。 p.  95．ファラデーケージノレット。
  3. ^ Krauss, JD (1992)電磁気学、第4版、McGraw-Hill、 ISBN 0-07-035621-1
  4. ^ Chapman, S. Jonathan; Hewett, David P.; Trefethen, Lloyd N. (2015). 「ファラデーケージの数学」(PDF) . SIAM Review . 57 (3): 398– 417. doi : 10.1137/140984452 .
  5. ^ 「EMI/RFIシールドを理解して干渉を管理する」 Ceptech . 2020年4月23日閲覧。
  6. ^ 「信頼性が自動車業界の最大の懸念事項に」 Passive Components Blog 2019年2月12日2020年4月23日閲覧。
  7. ^ハミル、ショーン（2008年12月22日）「景気低迷で万引き逮捕者急増」ニューヨーク・タイムズ。2009年8月12日閲覧。
  8. ^ 「電子レンジのドアから電子レンジの電波が漏れるのを防ぐにはどうすればいいか？」 The Straight Dope 2003年11月4日. 2024年6月1日閲覧。
  9. ^プローズ、マーク。「不完全なシステム」。AARP ：ザ・マガジン。2020年4月/5月号。6ページ。ファラデーシールドを使用すると、携帯電話の送受信機能が使えなくなる。
  10. ^ 「公開のため編集：禁制品電話タスクフォースの現状報告書」（PDF） CTIA 2019年4月26日。
  11. ^ 「2023年サイエンスセンターのサービス」グリーンバンク天文台。 2024年5月6日閲覧。
ウィキメディア コモンズには、ファラデーケージに関連するメディアがあります。

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