الحماية الكهرومغناطيسية

في الهندسة الكهربائية ، يُعرف التدريع الكهرومغناطيسي بأنه عملية تقليل أو إعادة توجيه المجال الكهرومغناطيسي في حيز معين باستخدام حواجز مصنوعة من مواد موصلة أو مغناطيسية . ويُستخدم عادةً في الأغلفة لعزل الأجهزة الكهربائية عن محيطها، وفي الكابلات لعزل الأسلاك عن البيئة المحيطة بها . ويُعرف التدريع الكهرومغناطيسي الذي يحجب الإشعاع الكهرومغناطيسي بترددات الراديو أيضًا باسم التدريع بترددات الراديو .

تستخدم القياسات الميدانية العملية في غرف النوم السكنية عادةً أجهزة قياس المجال الكهرومغناطيسي الاستهلاكية لتحديد مستويات التعرض المحلية. ^{[ 1 ]}

يُستخدم التدريع الكهرومغناطيسي لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي . ويُمكن لهذا التدريع أن يُقلل من اقتران الموجات الراديوية والمجالات الكهرومغناطيسية والمجالات الكهروستاتيكية . ويُعرف الغلاف الموصل المستخدم لحجب المجالات الكهروستاتيكية باسم قفص فاراداي . وتعتمد درجة التخفيض بشكل كبير على المادة المستخدمة، وسُمكها، وحجم المنطقة المحمية، وتردد المجالات المراد حجبها، بالإضافة إلى حجم وشكل واتجاه الثقوب في التدريع بالنسبة للمجال الكهرومغناطيسي الساقط.

تشمل المواد الشائعة المستخدمة في الحماية الكهرومغناطيسية طبقات رقيقة من المعدن، والصفائح المعدنية ، والشبكات المعدنية، والرغوة المعدنية . ومن المعادن الشائعة المستخدمة في الحماية: النحاس، والنحاس الأصفر، والنيكل، والفضة، والفولاذ، والقصدير. وتتأثر فعالية الحماية، أي مدى قدرة الدرع على عكس أو امتصاص/كبح الإشعاع الكهرومغناطيسي، بالخصائص الفيزيائية للمعدن. وتشمل هذه الخصائص: الموصلية، وقابلية اللحام، والنفاذية، والسماكة، والوزن. وتُعد خصائص المعدن عاملاً مهماً في اختيار المواد. فعلى سبيل المثال، تنعكس الموجات ذات الموصلية العالية كالنحاس والفضة والنحاس الأصفر عن الموجات ذات الموصلية الكهربائية العالية، بينما تمتص/تكبح الموجات ذات الموصلية المغناطيسية العالية المعادن الأقل موصلية كالفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ . ^{[ 3 ]} علاوة على ذلك، يجب أن تكون أي ثقوب في الدرع أو الشبكة أصغر بكثير من الطول الموجي للإشعاع المراد حجبه، وإلا فلن يُحاكي الغلاف سطحًا موصلًا متصلًا بشكل فعال.

من الطرق الشائعة الأخرى للحماية، خاصةً مع الأجهزة الإلكترونية الموجودة في علب بلاستيكية، طلاء السطح الداخلي للعلبة بحبر معدني أو مادة مشابهة. يتكون الحبر من مادة حاملة محملة بمعدن مناسب، عادةً النحاس أو النيكل ، على شكل جزيئات دقيقة جدًا. يُرش الحبر على العلبة، وبعد جفافه، يُشكل طبقة موصلة متصلة من المعدن، يمكن توصيلها كهربائيًا بهيكل الجهاز الأرضي ، مما يوفر حماية فعالة.

الحماية الكهرومغناطيسية هي عملية خفض المجال الكهرومغناطيسي في منطقة ما عن طريق حجبها بمواد موصلة أو مغناطيسية. يُستخدم النحاس في الحماية من موجات الراديو (RF) لأنه يمتص موجات الراديو وغيرها من الموجات الكهرومغناطيسية . تلبي حاويات الحماية من موجات الراديو المصممة والمُنشأة بشكل صحيح معظم احتياجات الحماية من موجات الراديو، بدءًا من غرف تبديل أجهزة الكمبيوتر والكهرباء وصولًا إلى مرافق التصوير المقطعي المحوسب (CAT) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في المستشفيات . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

يُعدّ التدريع ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) موضوعًا بحثيًا هامًا، ويجري تطوير أنواع جديدة من المواد النانوية المركبة المصنوعة من الفريتات والبوليمرات والمواد ثنائية الأبعاد للحصول على مواد أكثر كفاءة في امتصاص موجات الراديو/الميكروويف (MAMs). ^{[ 6 ]} غالبًا ما يُحقق التدريع ضد التداخل الكهرومغناطيسي عن طريق الطلاء الكيميائي للنحاس نظرًا لأن معظم أنواع البلاستيك الشائعة غير موصلة للكهرباء، أو باستخدام طلاء موصل خاص. ^{[ 2 ]}

من الأمثلة على ذلك الكابل المحمي ، الذي يتميز بحماية كهرومغناطيسية على شكل شبكة سلكية تحيط بموصل داخلي. تمنع هذه الحماية تسرب أي إشارة من الموصل الداخلي، كما تمنع إضافة إشارات إليه. تحتوي بعض الكابلات على غلافين محوريين منفصلين ، أحدهما متصل من كلا الطرفين والآخر من طرف واحد فقط، وذلك لزيادة الحماية من المجالات الكهرومغناطيسية والكهروستاتيكية.

يحتوي باب فرن الميكروويف على شبكة مدمجة في النافذة. ومن منظور الموجات الدقيقة (بطول موجي يبلغ 12  سم)، تُكمل هذه الشبكة قفص فاراداي الذي يشكله الغلاف المعدني للفرن. ويمر الضوء المرئي، بأطوال موجية تتراوح بين 400  و700  نانومتر، بسهولة عبر فتحات الشبكة.

يُستخدم التدريع بالترددات الراديوية أيضًا لمنع الوصول إلى البيانات المخزنة على رقائق RFID المدمجة في أجهزة مختلفة، مثل جوازات السفر البيومترية . ^{[ 7 ]}

يحدد حلف شمال الأطلسي (الناتو) الحماية الكهرومغناطيسية لأجهزة الكمبيوتر ولوحات المفاتيح لمنع المراقبة السلبية لانبعاثات لوحة المفاتيح التي تسمح بالتقاط كلمات المرور؛ ولا توفر لوحات المفاتيح الاستهلاكية هذه الحماية بشكل أساسي بسبب التكلفة الباهظة. ^{[ 8 ]}

تُستخدم الحماية من التداخلات الكهرومغناطيسية لحماية المعدات الطبية والمخبرية من الإشارات المتداخلة، بما في ذلك إشارات الراديو AM وFM والتلفزيون وخدمات الطوارئ ومراكز الاتصال وأجهزة النداء وESMR والهواتف المحمولة وأنظمة الاتصالات الشخصية. كما يمكن استخدامها لحماية المعدات في محطات البث الإذاعي والتلفزيوني.

ومن الأمثلة الأخرى على الاستخدام العملي للحماية الكهرومغناطيسية التطبيقات الدفاعية. فمع تطور التكنولوجيا، تزداد قابلية التعرض لأنواع مختلفة من التداخل الكهرومغناطيسي الضار. ويمكن لفكرة تغليف الكابل داخل حاجز موصل مؤرض أن تخفف من هذه المخاطر.

يتكون الإشعاع الكهرومغناطيسي من مجالات كهربائية ومغناطيسية مترابطة . يُولّد المجال الكهربائي قوىً على حاملات الشحنة (أي الإلكترونات ) داخل الموصل. بمجرد تطبيق مجال كهربائي على سطح موصل مثالي، فإنه يُحفّز تيارًا كهربائيًا يُسبب إزاحة للشحنة داخل الموصل ، مما يُلغي المجال الكهربائي المُطبّق في الداخل، وعندها يتوقف التيار.

وبالمثل، تُولّد المجالات المغناطيسية المتغيرة تيارات دوامية تعمل على إلغاء المجال المغناطيسي المُطبّق. (لا يستجيب الموصل للمجالات المغناطيسية الثابتة إلا إذا كان يتحرك بالنسبة للمجال المغناطيسي). والنتيجة هي أن الإشعاع الكهرومغناطيسي ينعكس من سطح الموصل: تبقى المجالات الداخلية في الداخل، والمجالات الخارجية في الخارج.

تُحدّ عدة عوامل من قدرة الحماية التي توفرها الدروع الحقيقية للترددات الراديوية. أحدها هو أن المقاومة الكهربائية للموصل تمنع المجال المُثار من إلغاء المجال الساقط تمامًا. كما أن معظم الموصلات تُظهر استجابة مغناطيسية حديدية للمجالات المغناطيسية منخفضة التردد، مما يعني أن هذه المجالات لا تُخفَّف بالكامل بواسطة الموصل. أي ثقوب في الدرع تُجبر التيار على التدفق حولها، وبالتالي لا تُثير المجالات المارة عبرها مجالات كهرومغناطيسية معاكسة. تُقلل هذه التأثيرات من قدرة الدرع على عكس المجال.

في حالة الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي التردد ، تستغرق التعديلات المذكورة آنفًا وقتًا ليس بالقليل، ومع ذلك، فإن أي طاقة إشعاعية من هذا القبيل، ما لم تنعكس، يمتصها الجلد (إلا إذا كان رقيقًا للغاية)، لذا في هذه الحالة لا يوجد مجال كهرومغناطيسي في الداخل أيضًا. هذا جانب من ظاهرة أكبر تُسمى تأثير الجلد . ويُقاس عمق اختراق الإشعاع للدرع بما يُسمى عمق الجلد .

قد تتطلب بعض المعدات عزلها عن المجالات المغناطيسية الخارجية. ^{[ 9 ]} في حالة المجالات المغناطيسية الثابتة أو بطيئة التغير (أقل من 100  كيلوهرتز تقريبًا)، يكون التدريع الفارادايي الموصوف أعلاه غير فعال. في هذه الحالات، يمكن استخدام دروع مصنوعة من سبائك معدنية ذات نفاذية مغناطيسية عالية ، مثل صفائح البرمالوي وميو -ميتال ^{[ 10 ] [ 11 ]} أو ذات طبقات من المعادن المغناطيسية الحديدية ذات بنية حبيبية نانوية. ^{[ 12 ]} لا تحجب هذه المواد المجال المغناطيسي، كما هو الحال مع التدريع الكهربائي، بل تجذب المجال إليها، مما يوفر مسارًا لخطوط المجال المغناطيسي حول الحجم المحمي. لذلك، فإن أفضل شكل للدروع المغناطيسية هو حاوية مغلقة تحيط بالحجم المحمي. تعتمد فعالية هذا النوع من التدريع على نفاذية المادة، والتي تنخفض عمومًا عند شدة المجال المغناطيسي المنخفضة جدًا وعند شدة المجال العالية حيث تصبح المادة مشبعة . لذا، ولتحقيق مجالات مغناطيسية متبقية منخفضة، تتكون الدروع المغناطيسية عادةً من عدة أغلفة، واحد داخل الآخر، حيث يعمل كل غلاف على تقليل المجال المغناطيسي داخله تدريجيًا. وقد تؤدي فتحات الدخول في أسطح الدروع إلى تدهور أدائها بشكل ملحوظ.

نظراً للقيود المذكورة أعلاه للحماية السلبية، يُستخدم بديلٌ مع المجالات الثابتة أو منخفضة التردد، وهو الحماية النشطة، حيث يقوم مجالٌ مُولّدٌ بواسطة المغناطيسات الكهربائية بإلغاء المجال المحيط داخل حيزٍ ما. ^{[ 13 ]} تُعدّ الملفات اللولبية وملفات هيلمهولتز من أنواع الملفات التي يُمكن استخدامها لهذا الغرض، بالإضافة إلى أنماط أسلاك أكثر تعقيداً مُصممة باستخدام أساليب مُقتبسة من تلك المُستخدمة في تصميم ملفات التصوير بالرنين المغناطيسي . كما يُمكن تصميم الدروع النشطة مع مراعاة الاقتران الكهرومغناطيسي مع الدروع السلبية، ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} ويُشار إليها بالحماية الهجينة ، ^{[ 19 ]} بحيث تُوفّر الحماية واسعة النطاق من الدرع السلبي، بالإضافة إلى إلغاءٍ إضافي لمكونات مُحددة باستخدام النظام النشط.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمواد فائقة التوصيل طرد المجالات المغناطيسية عبر تأثير مايسنر .

لنفترض أن لدينا غلافًا كرويًا من مادة مغناطيسية معاكسة (خطية ومتجانسة الخواص) ذات نفاذية نسبية${\displaystyle \mu _{\text{r}}}$، بنصف قطر داخلي${\displaystyle a}$ونصف القطر الخارجي${\displaystyle b}$ثم نضع هذا الجسم في مجال مغناطيسي ثابت: $${\displaystyle \mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}}$$ بما أنه لا توجد تيارات في هذه المسألة باستثناء التيارات المقيدة المحتملة على حدود المادة المغناطيسية المعاكسة، فإنه يمكننا تعريف جهد قياسي مغناطيسي يحقق معادلة لابلاس : $${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}}$$ أين $${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H} }$$ في هذه المسألة تحديداً، يوجد تناظر سمتي، لذا يمكننا كتابة أن حل معادلة لابلاس في الإحداثيات الكروية هو: $${\displaystyle \Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )}$$ بعد مطابقة الشروط الحدية $${\displaystyle {\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}}$$ عند الحدود (حيث${\displaystyle {\hat {n}}}$إذا كان متجه وحدة عموديًا على السطح ويشير من الجانب 1 إلى الجانب 2)، فإننا نجد أن المجال المغناطيسي داخل التجويف في الغلاف الكروي هو: $${\displaystyle \mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}}$$ أين${\displaystyle \eta }$هو معامل التوهين الذي يعتمد على سمك المادة المغناطيسية المعاكسة والنفاذية المغناطيسية للمادة: $${\displaystyle \eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}}$$ يصف هذا المعامل فعالية هذه المادة في حجب المجال المغناطيسي الخارجي عن التجويف الذي تحيط به. لاحظ أن هذا المعامل يقترب من 1 (انعدام الحجب) في حالة أن${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to 1}$في حدود ذلك${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to \infty }$يؤول هذا المعامل إلى الصفر (حماية مثالية). عندما${\displaystyle \mu _{\text{r}}\gg 1}$ثم يأخذ معامل التوهين الشكل الأبسط التالي: $${\displaystyle \eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}}$$ مما يدل على أن المجال المغناطيسي يتناقص مثل${\displaystyle \mu _{\text{r}}^{-1}}$[ ^{20 ]​}

• التداخل الكهرومغناطيسي
• الإشعاع الكهرومغناطيسي والصحة
• إشعاع
• الحماية من الإشعاع المؤين
• معدن مو
• الحماية من موجات الراديو في التصوير بالرنين المغناطيسي
• البرمالوي
• الحماية من المجال الكهربائي
• قفص فاراداي
• غرفة عديمة الصدى
• نافذة بلازما

• كل ما يتعلق بمادة سبيكة مو المعدنية (بيرمالوي)
• دروع معدن مو: الأسئلة الشائعة (أسئلة وأجوبة من شركة مارشاندايز، ألمانيا) النفاذية المغناطيسية
• مختبر إلكترونيات المركبات بجامعة كليمسون: حاسبة فعالية الحماية ( مؤرشفة بتاريخ 9 يوليو 2017 على موقع Wayback Machine)
• مشاكل الحماية في المنتجات الطبية ( ملف PDF ) - ورقة بحثية صادرة عن ETS-Lindgren
• دليل عملي للحماية الكهرومغناطيسية
• محاكاة الحماية الكهرومغناطيسية في بيئة COMSOL Multiphysics