قفص فاراداي

قفص فاراداي أو درع فاراداي هو غلاف يُستخدم لحجب بعض المجالات الكهرومغناطيسية . قد يتكون درع فاراداي من غطاء متصل من مادة موصلة ، أو في حالة قفص فاراداي، من شبكة من هذه المواد. سُميت أقفاص فاراداي نسبةً إلى العالم مايكل فاراداي ، الذي بنى أول قفص فاراداي عام 1836. ^{[ 1 ]}

تعمل أقفاص فاراداي لأن المجال الكهربائي الخارجي يُوزّع الشحنات الكهربائية داخل المادة الموصلة للقفص بطريقة تُبطل تأثير المجال داخله. تُستخدم هذه الظاهرة لحماية المعدات الإلكترونية الحساسة (مثل أجهزة استقبال الترددات اللاسلكية ) من تداخل الترددات اللاسلكية الخارجية ، خاصةً أثناء اختبار الجهاز أو معايرته. كما تُستخدم أقفاص فاراداي لحماية الأفراد والمعدات من التيارات الكهربائية كالصواعق والتفريغ الكهروستاتيكي ، لأن القفص يُوصل التيار الكهربائي حول محيطه الخارجي، فلا يمر أي تيار إلى داخله.

لا تستطيع أقفاص فاراداي حجب المجالات المغناطيسية المستقرة أو بطيئة التغير، مثل المجال المغناطيسي للأرض ( يظل البوصلة يعمل داخلها). ومع ذلك، فهي تحمي إلى حد كبير من الإشعاع الكهرومغناطيسي الخارجي إذا كان الموصل سميكًا بما يكفي وكان أي ثقب أصغر بكثير من الطول الموجي للإشعاع. على سبيل المثال، يمكن إجراء بعض اختبارات أنظمة الطب الشرعي الإلكتروني الحاسوبية التي تتطلب بيئة خالية من التداخل الكهرومغناطيسي داخل غرفة معزولة. هذه الغرف عبارة عن مساحات مغلقة تمامًا بطبقة أو أكثر من شبكة معدنية دقيقة أو صفائح معدنية مثقبة. يتم تأريض الطبقات المعدنية لتبديد أي تيارات كهربائية ناتجة عن المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية أو الداخلية، وبالتالي فهي تحجب قدرًا كبيرًا من التداخل الكهرومغناطيسي (انظر أيضًا: الحماية الكهرومغناطيسية ). إنها توفر توهينًا أقل للإرسالات الصادرة مقارنة بالإرسالات الواردة: يمكنها حجب موجات النبض الكهرومغناطيسي (EMP) الناتجة عن الظواهر الطبيعية بشكل فعال للغاية، ولكن خاصة في الترددات العالية، قد يتمكن جهاز التتبع من الاختراق من داخل القفص (على سبيل المثال، تعمل بعض الهواتف المحمولة بترددات راديوية مختلفة، لذلك في حين أن ترددًا واحدًا قد لا يعمل، فإن ترددًا آخر سيعمل).

يُضعف قفص فاراداي بشدة استقبال أو إرسال الموجات الراديوية ، وهي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي ، من أو إلى هوائي داخله، أو يحجبها تمامًا. ومع ذلك، يختلف مستوى التوهين في قفص فاراداي تبعًا لشكل الموجة، وترددها، والمسافة بينه وبين جهاز الاستقبال أو الإرسال، وقدرة جهاز الاستقبال أو الإرسال. وتكون عمليات الإرسال عالية الطاقة في المجال القريب، مثل تقنية RFID عالية التردد ، أكثر قدرة على الاختراق. وبشكل عام، تُضعف الأقفاص الصلبة المجالات على نطاق ترددي أوسع من الأقفاص الشبكية.

في عام 1754، نشر جان أنطوان نوليه وصفًا لتأثير القفص في كتابه دروس اللياقة البدنية التجريبية . ^{[ 2 ]}

في عام 1755، لاحظ بنجامين فرانكلين هذا التأثير عن طريق إنزال كرة فلين غير مشحونة معلقة بخيط حريري عبر فتحة في علبة معدنية مشحونة كهربائياً. ويُشبه هذا السلوك سلوك قفص أو درع فاراداي. ^{[ 3 ]}

في عام 1836، لاحظ مايكل فاراداي أن الشحنة الزائدة على موصل مشحون تتركز فقط على سطحه الخارجي ولا تؤثر على أي شيء بداخله. ولإثبات ذلك، بنى غرفة مغطاة برقائق معدنية، وسمح بتفريغات كهربائية عالية الجهد من مولد كهرساكن لضرب جدران الغرفة الخارجية. ثم استخدم جهازًا لقياس الشحنات الكهربائية ليُظهر عدم وجود أي شحنة كهربائية على الجدران الداخلية للغرفة.

• تُستخدم أقفاص فاراداي بشكل روتيني في الكيمياء التحليلية لتقليل الضوضاء أثناء إجراء قياسات حساسة.
• تُستخدم أقفاص فاراداي، وتحديداً أكياس فاراداي ذات الدرزات المزدوجة، في كثير من الأحيان في الطب الشرعي الرقمي لمنع المسح عن بعد وتغيير الأدلة الرقمية الجنائية.
• حقائب فاراداي هي حقائب أمان محمية مصنوعة من مواد معدنية تستخدم لاحتواء الأجهزة لحمايتها من الإرسال الكهرومغناطيسي لمجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من تعزيز الخصوصية الرقمية للهواتف المحمولة وحتى حماية بطاقات الائتمان من سرقة بيانات RFID .
• تتضمن معايير Tempest الأمريكية ومعايير الناتو ، ومعايير مماثلة في دول أخرى، أقفاص فاراداي كجزء من جهد أوسع لتوفير أمن الانبعاثات لأجهزة الكمبيوتر.
• تعتبر مقصورات ركاب السيارات والطائرات بمثابة أقفاص فاراداي، تحمي الركاب من الشحنات الكهربائية، مثل البرق.
• تستخدم المكونات الإلكترونية في السيارات والطائرات أقفاص فاراداي لحماية الإشارات من التداخل. تشمل المكونات الحساسة أقفال الأبواب اللاسلكية، وأنظمة الملاحة/نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وأنظمة التحذير من مغادرة المسار . كما تُعد أقفاص فاراداي والدروع ضرورية لأنظمة المعلومات والترفيه في المركبات (مثل الراديو، وشبكة Wi-Fi، ووحدات عرض نظام تحديد المواقع العالمي)، والتي قد تُصمم بحيث تعمل كدوائر حيوية في حالات الطوارئ. ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• تُستخدم حقيبة التسوق المبطنة بورق الألمنيوم كقفص فاراداي، وغالبًا ما يستخدمها اللصوص لسرقة المنتجات المزودة بتقنية تحديد الهوية بموجات الراديو (RFID) . [ 7 ] وتُستخدم حاويات ^{مماثلة لمقاومة سرقة} بيانات بطاقات الائتمان المزودة بتقنية RFID .
• تُحاكي المصاعد والغرف الأخرى ذات الهياكل والجدران المعدنية الموصلة تأثير قفص فاراداي، مما يؤدي إلى فقدان الإشارة وظهور "مناطق ميتة" لمستخدمي الهواتف المحمولة وأجهزة الراديو وغيرها من الأجهزة الإلكترونية التي تتطلب إشارات كهرومغناطيسية خارجية. وخلال التدريب، يُنبه رجال الإطفاء وغيرهم من المستجيبين الأوائل إلى أن أجهزة الاتصال اللاسلكي الخاصة بهم قد لا تعمل داخل المصاعد، وعليهم مراعاة ذلك.
• يستخدم مهندسو الإلكترونيات أقفاص فاراداي صغيرة مادية أثناء اختبار المعدات لمحاكاة مثل هذه البيئة للتأكد من أن الجهاز يتعامل بسلاسة مع هذه الظروف.
• يمكن للملابس الموصلة المصممة بشكل صحيح أن تشكل قفص فاراداي واقيًا. يرتدي بعض فنيي خطوط الكهرباء بدلات فاراداي، التي تتيح لهم العمل على خطوط نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي دون التعرض لخطر الصعق بالكهرباء. تمنع هذه البدلة مرور التيار الكهربائي عبر الجسم، ولا يوجد حد نظري للجهد الكهربائي المسموح به. وقد نجح فنيو الخطوط في العمل بأمان حتى على خطوط ذات جهد عالٍ جدًا ( خط إيكيباستوز-كوكشتاو في كازاخستان، 1150 كيلوفولت).
• صُممت غرفة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) على شكل قفص فاراداي. يمنع هذا التصميم إضافة إشارات الترددات الراديوية الخارجية إلى البيانات المُجمعة من المريض، مما قد يؤثر على الصورة الناتجة. ويتلقى الفنيون تدريباً على تحديد التشوهات المميزة التي تظهر في الصور في حال تلف قفص فاراداي، كما يحدث أثناء العواصف الرعدية .
• يستخدم فرن الميكروويف درع فاراداي جزئي (على خمسة من جوانبه الستة الداخلية) وقفص فاراداي جزئي، يتكون من شبكة سلكية، على الجانب السادس (النافذة الشفافة)، لاحتواء الطاقة الكهرومغناطيسية داخل الفرن وحماية المستخدم من التعرض لإشعاع الميكروويف. ^{[ 8 ]}
• تُستخدم الأكياس البلاستيكية المشبعة بالمعدن لتغليف أجهزة تحصيل الرسوم الإلكترونية عندما لا ينبغي تحصيل الرسوم على تلك الأجهزة، كما هو الحال أثناء النقل أو عندما يدفع المستخدم نقدًا.
• يحمي الغلاف الخارجي للكابل المحمي ، مثل كابلات USB أو الكابل المحوري المستخدم في تلفزيون الكابل، الموصلات الداخلية من الضوضاء الكهربائية الخارجية ويمنع تسرب إشارات الترددات اللاسلكية.
• يتم حماية المكونات الإلكترونية في بعض الآلات الموسيقية، مثل الغيتار الكهربائي ، بواسطة أقفاص فاراداي المصنوعة من رقائق النحاس أو الألومنيوم التي تحمي اللاقطات الكهرومغناطيسية للآلة من التداخل الناتج عن مكبرات الصوت ومكبرات الصوت وأضواء المسرح وغيرها من المعدات الموسيقية.
• تُبنى بعض المباني، كالسجون، على شكل قفص فاراداي، وذلك لوجود أسباب تمنع إجراء واستقبال المكالمات الهاتفية من قبل السجناء. ^{[ 9 ] [ 10 ]}
• قاعة العرض في مرصد غرين بانك عبارة عن قفص فاراداي لمنع التداخل مع عمليات التلسكوبات الراديوية الخاصة بهم . ^{[ 11 ]}

• مانعة الصواعق
• غرفة عديمة الصدى
• كيس مضاد للكهرباء الساكنة
• نسيج موصل
• قبعة من ورق القصدير
• قانون جاوس
• جهاز تشويش على الهواتف المحمولة
• معدن مو
• بطانية مايلر
• ملف تسلا
• مولد فان دي غراف

• قفص فاراداي يحمي من 100,000 فولت:: معرض الفيزياء، جامعة بون
• ملاحظات من محاضرة في الفيزياء حول أقفاص فاراداي من جامعة ولاية ميشيغان
• قفص فاراداي صنع في الهند
• تم حماية ريتشارد هاموند من برنامج توب جير من 600000 فولت بواسطة سيارة (قفص فاراداي).