Клітка Фарадея (або екран Фарадея) – замкнена огорожа, сформована з електропровідного матеріалу у вигляді суцільних елементів або сітки.
Така огорожа нейтралізує зовнішні статичні та динамічні електричні поля всередині себе. Пристрій винайшов англійський фізик Фарадей у 1836 р. Електричні заряди зовнішнього статичного електричного поля перерозподіляються в електропровідному матеріалі клітки, що скасовує дію зовнішнього поля на внутрішній простір клітки. Використовують для захисту електронного обладнання від ударів блискавки та електростатичних розрядів.
На відміну від електричного поля, магнітне поле кліткою Фарадея не нейтралізується, зокрема магнітне поле Землі – компас всередині клітки Фарадея буде нормально працювати. Якщо електропровідний матеріал клітки достатньо товстий, а розмір отворів в ньому значно менший довжини зовнішньої електромагнітної хвилі, то така клітка послабить дію випромінення на простір всередині себе.
Так при здійсненні експертиз комп’ютерного обладнання інколи проводяться тести електронних компонентів, що потребують повного екранування середовища від зовнішніх електромагнітних завад. Такі тести можуть виконуватися у спеціальних екранованих кімнатах, які являють собою ділянки простору, повністю оточені кількома шарами листів перфорованої сталі або дрібної металевої сітки. Шари металу заземлюються з метою розсіяння будь-яких електричних струмів, які виникають в матеріалі клітки під дією зовнішніх або внутрішніх електромагнітних випромінювань. Завдяки цьому, такі кімнати здатні нейтралізовувати значну частину електромагнітних перешкод.
Прийом або передача радіохвиль (одного з видів електромагнітного випромінювання) за допомогою антени, розміщеної в клітці Фарадея, стає практично неможливим. Сигнал значно послаблюється або взагалі повністю блокується кліткою.
У 1836 р. Майкл Фарадей спостерігав явище, як електричні заряди на зарядженому провіднику розташовуються лише на його зовнішній поверхні і ніяк не впливали на предмети, розміщені всередині провідника. Для демонстрації цього, він збудував ізольовану від землі дерев’яну кімнату, вкриту станіолем (олов’яною фольгою). І коли на зовнішню поверхню цієї кімнати подавалися електричні заряди від електростатичного генератора, електроскоп, розміщений в середині кімнати, показував відсутність заряду на її внутрішніх поверхнях. Навіть у випадку, коли з зовнішньої сторони клітки, при наближенні до неї тіл, починали вилітали іскри, що є ознакою значної різниці потенціалів між кліткою та землею, чутливий електроскоп в середині пристрою не реєстрував жодних електричних зарядів на внутрішній поверхні клітки.
У 1755 р. Бенджамін Франклін спостерігав аналогічне явище, опускаючи незаряджену коркову кульку, підвішену на шовковій нитці, у електрично заряджену металеву банку крізь отвір. За його словами, “корок не притягувався до внутрішніх частин банки так само, як притягнувся би до поверхонь зовнішніх. Завдяки цьому, він зміг ним доторкнутися до дна банки, а коли витяг, виявилося, що він не наелектризувався внаслідок цього дотику, так, як би зарядився, доторкнувшись до зовнішньої поверхні. В результаті досліджень подібних ефектів з’ясували, що в середині довільного провідника (зарядженого або не зарядженого) електричне поле завжди відсутнє.
Принцип дії. Для розуміння роботи клітки Фарадея її зручно представити у вигляді ідеального порожнього провідника. Прикладені до неї зовнішні або внутрішні електромагнітні поля утворюють сили, які діють на носіїв заряду (зазвичай електрони) всередині провідника. Під дією цих сил, заряди починають відповідним чином перерозподілятися, в процесі чого виникають електричні струми. Після того, як заряди перегрупуються таким чином, що нейтралізують своїм полем дію зовнішнього поля в середині клітки, струми припиняються.
Без заземлення. Якщо в середині незаземленої клітки Фарадея розмістити заряд, то її внутрішня поверхня стане зарядженою (аналогічним шляхом, як і у вищеописаному випадку зовнішнього заряду), створюючи тим самим протидію існуванню поля всередині тіла клітки. Проте заряджання внутрішньої поверхні клітки призводить до перерозподілення зарядів у її корпусі. За рахунок цього, зовнішня поверхня клітки отримує заряд того самого знаку і величини, що і заряд, розміщений в середині. Оскільки заряд в середині клітки, та заряд її внутрішньої поверхні скасовують один одного, то розподілення заряду на зовнішній поверхні клітки ніяк не залежатиме від просторового положення заряду, розміщеного в середині клітки. Тому в усіх прикладних задачах, клітка створюватиме таке саме статичне електричне поле, яке утворилося б за рахунок самого лише електричного заряду, розміщеного в середині. Але теж саме не спостерігається у випадку електромагнітних хвиль.
Із заземленням. Якщо ж клітку заземлено, то надлишкові заряди перейдуть не на зовнішню поверхню клітки, а у землю. Внаслідок цього, внутрішня поверхня клітки та заряд, розміщений в середині її, скасують один одного. В результаті, заряд усієї іншої частини клітки буде нейтральним.
Ефективність екранування статичного електричного поля залежить від електропровідності матеріалу клітки та опору заземлення (чим менше тим краще), а також від геометрії клітки. При цьому, товщина екрану та магнітні властивості його матеріалу на ефективність ніяк не впливають.
У випадку електромагнітних хвиль. При наявності нелінійно змінюваного електричного поля, і, як наслідок, появи супровідного змінюваного магнітного поля, чим швидшими є зміни (тобто чим вище частота електромагнітної хвилі), тим краще матеріал протидіє проникненню. Але з іншого боку, якщо матеріал представлений у вигляді сітки, при зростанні частоти хвилі, рівень проникнення також зростає, у зв’язку з чим необхідно зменшувати розміри чарунок сітки для збереження заданої ефективності екранування.
Якість екранування електромагнітних хвиль залежить не тільки від електропровідності матеріалу клітки, але і від його магнітної проникності. Все це визначає роль глибини поверхневого ефекту в роботі клітки, тобто важливого значення набуває товщина матеріалу клітки.
Для електромагнітних хвиль, дія клітки Фарадея пов’язана з відбиванням їх від тієї поверхні на яку вони падають. Цей процес супроводжується виникненням в товщині матеріалу клітки вихрових струмів, енергія яких в подальшому поглинається за рахунок перетворення її в тепло. Вихрові струми створюють зворотне магнітне поле, яке виштовхує зовнішнє поле з внутрішнього простору клітки, створюючи тим самим ефект відбивання хвиль. В залежності від частоти хвилі, магнітних та електричних властивостей матеріалу, співвідношення дій ефектів відбивання та поглинання може значно різнитися.
На низьких частотах найбільший внесок в ефективність екранування дає відбивання електромагнітних хвиль, оскільки поверхневий ефект виявляється незначним і глибина проникнення вихрових струмів може перевищувати товщину матеріалу клітки.
Наприклад, на частотах 0,1–1 кГц магнітну складову хвилі можна послабити тільки шляхом її шунтування (витіснення) за допомогою феромагнітного матеріалу з високою відносною магнітною приникністю. В таких умовах найважливішим параметром виявляється саме магнітна проникність матеріалу клітки. Але із зростанням частоти хвилі, вплив вихрових струмів на загальну ефективність екранування зростає, а глибина проникнення цих струмів в товщу матеріалу клітки експоненційно зменшується за рахунок поверхневого ефекту. Внаслідок цього товщина екрану втрачає свою актуальність, оскільки гасіння відбувається лише в тонкому поверхневому шарі матеріалу клітки. Величина магнітної проникності матеріалу із зростанням частоти хвилі також втрачає важливість.
При створенні кліток Фарадея використовують: листові металічні екрани; фольгові матеріали; спеціальні тканини; електропровідні клеї; електропровідні фарби; сіткові матеріали. Вибір конкретного типу матеріалу та його характеристик залежить від вимог щодо ефективності екранування кліткою заданого діапазону частот та умов її подальшої експлуатації.
При екрануванні елекромагнітних хвиль листові матеріали забезпечують найвищу ефективність дії. На високих частотах, глибина проникнення вихрових струмів в товщу поверхонь клітки є дуже малою, що робить недоцільним застосування матеріалів із високою магнітною проникністю. Для діапазону хвиль f > 1 МГц екран з будь-якого металу, товщина якого становить 0,5-1,5 мм, діє вельми ефективно. До того ж для частот f > 10 МГц значний екрануючий ефект забезпечується навіть мідною фольгою 0,1 мм, тому товщину матеріалу клітки в таких випадках обирають виходячи з вимог до міцності конструкції. Екранування хвиль діапазону 0,1-1 кГц є найскладнішою проблемою, яку в багатьох випадках взагалі намагаються уникати.
На низьких частотах важливими характеристиками матеріалу клітки є товщина та високі значення магнітної проникності та електропровідності. На високих – вимоги до товщини матеріалу та його магнітної проникності значно знижуються, але електропровідність має залишатися високою.
Для ефективного екранування широкого діапазону частот, що включає в себе проміжок 0,1–1 кГц, можуть застосовуватися багатошарові, комбіновані конструкції екранів, побудовані з почергово розміщених магнітних (сталь, пермалой) та немагнітних (мідь, алюміній, латунь) матеріалів. При цьому слід враховувати кількість екрануючих шарів та матеріали, з яких вони виготовлені, співвідношення їх товщини, відстань між ними та тип застосованого діелектричного наповнювача. У порівнянні з однорідними екранами, такі конструкції мають вищу ефективність дії у діапазонах низьких частот, за рахунок збільшення кількості відбивань хвилі, але до того ж є складними та громіздкими.
Для забезпечення якісного екранування електричної складової електромагнітних хвиль, екран заземлюють. Також варто уникати довгих та вузьких щілин в конструкції екрану, особливо якщо вони спрямовані поперек напрямку руху вихрових струмів. Наявні в елементах конструкції щілини за розмірами не мають перевищувати 0,01–0,001 від довжини хвилі.
Екрани з сіткових матеріалів мають гірші екрануючі якості, але при послабленні електромагнітних хвиль на 20–30 дБ їх сітки з успіхом справляються. Ефективність дії такого екрану еквівалентна суцільно-листовому екрану за умови, якщо крок сітки та діаметр її дроту значно менші чверті довжини падаючої хвилі. Зокрема металеві сітки є одним з найпопулярніших матеріалів для захисту великих приміщень. Вони забезпечують достатньо високу ефективність, є більш довговічними, мають значно меншу вагу у порівнянні з листовими матеріалами, забезпечують достатній обмін повітря та рівень прозорості, є зручними у монтажі та експлуатації.
Для екранування високочастотних полів може слугувати сітка з міді (має високу електропровідність), але через вартість найчастіше застосовують латунь (сплав на основі міді) або алюміній, густина якого менша, що дозволяє суттєво зменшити вагу екранів.
Будь-який тип екранованого кабелю в своїй конструкції має клітку Фарадея, витягнуту по всій довжині провідників. До таких відносять, наприклад, телевізійний коаксіальний кабель або комп’ютерні мережеві (на основі звитої пари) та USB кабелі. Екран захищає провідники від впливу зовнішніх електромагнітних шумів та одночасно запобігає витоку назовні радіочастотних сигналів, знижуючи таким чином швидкість затухання сигналу.
Багато електронних приладів мають в своїй конструкції одну чи кілька кліток Фарадея. В ролі такої клітки може виступати увесь металевий корпус приладу, або, якщо корпус пластиковий, то під ним розміщують екрануючі елементи: зібрані з перфорованих металевих листів чохли, покриття з фольги на поверхні пластика, металеві коробки.
Екранування здійснює захист чутливих компонентів від зовнішніх електромагнітних впливів, для зменшення взаємного впливу між окремими вузлами пристрою (через електромагнітну або електростатичну індукцію), а також слугує для зниження електромагнітного забруднення довкілля, яке створює прилад. Мікрохвильова піч є прикладом зворотної дії клітки Фарадея в побуті, тобто перешкоджає розповсюдженню назовні внутрішніх електромагнітних хвиль.
Спеціальні костюми Фарадея для електромонтерів дозволяють працювати на високовольтних лініях електропередач без ризику отримати електротравму. Максимально допустима напруга при цьому, не має теоретичної межі. Кімнати, в яких встановлено обладнання для проведення магнітно-резонансної томографії, з самого початку проектують як клітку Фарадея. Це унеможливлює змішування сигналів для результуючого зображення.
Екрановані кімнати застосовують для локалізації розповсюдження електромагнітних випромінювань, створюваних встановленим в них електронним обладнанням. Майже неможливе несанкційне зняття за межами такого приміщення, конфіденційної інформації з технічних засобів. Подібний підхід є важливим методом технічного захисту інформації.
При зберіганні та транспортуванні чутливих електронних компонентів застосовують антистатичні пакети – така собі клітка Фарадея, виконана з металізованої плівки на основі поліетилену. Подібна упаковка забезпечує екранування пристрою від електричних полів та, найголовніше, захищає від електростатичних розрядів. Клітки Фарадея також регулярно використовують в аналітичній хімії для зменшення шумів в процесі проведення чутливих вимірювань.
Цікаві факти. Ліфти з металевими, електропровідними каркасами (також і з залізобетонним перекриттями), транспортні засоби з металевими оболонками (автомобілі, літаки, залізничні вагони) відомі тим, що створюють ефект клітки Фарадея.
Це інколи призводить до втрати рівня сигналу та появи «мертвих зон» при використанні мобільних телефонів, радіоприймачів, точок доступу Wi-Fi мереж та інших електронних пристроїв, яким при роботі потрібні зовнішні електромагнітні сигнали. У 2013 році клітку Фарадея використовували у Ватикані в процесі таємного конклаву при виборах нового Папи Римського. Сикстинська капела була екранована з метою перешкоджання роботі телекомунікаційних пристроїв і запобігання можливого витоку інформації під час голосування.
Клітка Фарадея часто використовується також зловмисниками для крадіжок з магазину товарів, які мають радіочастотні (RFID) мітки. Як екран тут виступає спеціальна валіза, рюкзак або гаманець, вистелений зсередини алюмінієвою фольгою. Подібну функцію з імітацією клітки Фарадея використовують у вигляді алюмінієвих шапочок для захисту від електромагнітного випромінювання. Металізовані пластикові пакети застосовують для пристроїв автоматичного збору дорожнього мита при їх перевезенні замовнику, що дозволяє уникнути небажаного спрацювання системи при проході вантажівки через пункт збору мита.