Faradayova klec, pojmenovaná po anglickém fyzikovi Michaelu Faradayovi, je zařízení navržené k ochraně osob nebo zařízení před elektrickým polem. Jedná se o vodivou konstrukci určenou k odstínění vnitřního prostoru od vnějších elektrostatických a elektromagnetických polí. Využívá uzavřenou kovovou konstrukci, která blokuje elektrické pole a zabraňuje jeho vlivu na předměty uvnitř klece.
Historie a princip Faradayovy klece
Princip činnosti je založen na jevu rozložení náboje na povrchu vodiče - v reakci na vnější elektrické pole se náboje ve vodivém stínění pohybují tak, že uvnitř konstrukce vzniká pole opačného směru, které účinně ruší vliv vnějšího pole. Michael Faraday ve 30. letech 19. století názorně demonstroval, že elektrický náboj je koncentrován jen na povrchu vodiče, nikoliv v celém jeho objemu. Tím pádem uvnitř tohoto vodiče nepůsobí žádné elektrické ani elektromagnetické pole.
Faraday tehdy sestrojil velkou krychli z měděného drátu s délkou hrany kolem tří metrů, kterou nabil elektrickým nábojem. Pomocí železné kuličky na niti pak měřil rozložení náboje uvnitř a vně této krychle. Při jedné veřejné prezentaci postavil dřevěný rám ve tvaru krychle, který pokryl vodivým materiálem. Zatímco sám seděl uvnitř tohoto rámu, nechal konstrukci nabíjet, až z ní létaly jiskry. Tím potvrdil platnost svého objevu.
Faradayova klec může mít různé podoby, od pevného kovového stínění až po vodivé síťové struktury, které navzdory otvorům účinně tlumí elektromagnetické vlny s vlnovou délkou větší, než je velikost štěrbin. Její účinnost závisí na typu a tloušťce materiálu, přesnosti vodivých spojů a frekvenci vln, které mají být tlumeny.
V průmyslových a laboratorních aplikacích Faradayovy klece chrání citlivá zařízení před rádiovým rušením, elektromagnetickými impulzy (např. ESD, EMP) a bleskovými výboji. Zároveň zabraňují vyzařování rušení vznikajícího uvnitř zařízení, což je zásadní v souvislosti s elektromagnetickou kompatibilitou (EMC) a splněním norem kompatibility s jinými systémy.
Čtěte také: Ochrana objektů: Faradayova klec
Moderní aplikace Faradayovy klece
Faradayova klec je užívána v mnoha oblastech vědy, techniky i běžného života. V dnešní době, kdy jsou přenosy dat a citlivá elektronika na elektromagnetická pole stále zranitelnější, je Faradayova klec běžně používána k ochraně elektronických zařízení.
Ochrana elektronických zařízení a datových center
V laboratořích a výzkumných zařízeních se používají speciální místnosti vybavené Faradayovými klecemi, aby byla elektronika chráněna před rušivými signály. Tyto klece jsou často vyráběny z měděné nebo hliníkové sítě a mají za úkol zabránit elektromagnetickým interferencím, což je zvláště důležité při výzkumu na citlivých přístrojích, které potřebují prostředí bez vnějšího rušení. Dalším podobným příkladem mohou být velká datová centra, kde jsou uložena obrovská množství citlivých informací.
Stíněné kabely
Stíněné kabely jsou dalším typickým příkladem využití Faradayovy klece v praxi. Tyto kabely jsou navrženy tak, aby chránily přenášený signál před různými formami elektromagnetického rušení. Každý stíněný kabel se skládá z jednoho nebo více izolovaných vodičů, které slouží k přenosu signálu. Aby se rušení zabránilo, jsou vodiče obaleny vodivou vrstvou, která slouží jako stínění. Tato vrstva může být tvořena různými materiály, například spletenými měděnými drátky, měděnými pásky, pokovenou fólií nebo dokonce vodivým polymerem. Kromě ochrany před vnějším rušením stínění také funguje opačným směrem - omezuje množství elektromagnetického záření, které samotný kabel vyzařuje do okolí.
Ochrana před bleskem
- Letadla: Jedním z významných příkladů použití Faradayovy klece je ochrana letadel. Během letu je letadlo často vystaveno riziku zásahu bleskem. Díky konstrukci letadel, která jsou vyrobena z vodivých materiálů, funguje jejich trup jako Faradayova klec. Blesk sjede po kovovém plášti a dovnitř nijak nepronikne.
- Automobily: Do automobilu uhodí blesk, ale posádka vozu vše přečká bez úhony. Jev v tomto případě funguje, protože auto má kovovou, tedy vodivou karoserii. Blesk sjede po vnější straně karoserie a lidem uvnitř auta se nic nestane.
- Hromosvody: Dalším příkladem využití Faradayovy klece je i hromosvod. Ten má za úkol svést při zásahu bleskem elektřinu do země, aby úder neohrozil nemovitost ani její obyvatele. Faradayova klec v tomto případě musí působit tak, aby vodivými částmi domu vedlo při úderu blesku co nejmenší množství proudu.
Domácí spotřebiče
Faradayova klec se nevyužívá pouze ve velkých technologických zařízeních, ale najdeme ji i v běžných domácích spotřebičích, jako je například mikrovlnná trouba. Vnitřní stěny mikrovlnné trouby jsou tvořeny kovem, který dokáže efektivně blokovat elektromagnetické pole. Na dveřích mikrovlnné trouby najdeme speciální kovovou síťku. Ačkoliv tato síťka umožňuje vidět dovnitř, stále funguje jako účinná bariéra zabraňující úniku mikrovlnného záření ven. Díky konstrukci mikrovlnné trouby zůstává generované elektromagnetické pole uvnitř zařízení a neproniká ven, což chrání okolní prostředí před škodlivým zářením.
Blokování rádiových frekvencí a ochrana soukromí
Další užitečnou aplikací Faradayovy klece je blokování rádiových frekvencí, jako jsou mobilní signály a Wi-Fi. Speciálně navržené místnosti, schránky nebo bagy na mobilní telefony mohou být využívány tam, kde je potřeba zajistit soukromí, ochranu dat nebo omezení elektronické komunikace. Takové prostory jsou využívány například ve vojenských zařízeních, kde je nutné zabránit odposlouchávání nebo narušení signálů. Dále existují Faraday bagy pro mobilní telefony blokující jakýkoliv příjem nebo odesílání signálů. Jsou používány například při citlivých obchodních schůzkách, aby se zamezilo sledování a odposlechu. Podobný efekt odstínění zajistí jakýkoliv kovový box, například trezor.
Čtěte také: Důležité informace k výběru klece pro žaka
Na principu Faradayovy klece je možné vybudovat kompletní odstíněnou kancelář, kterou lze používat například jako zasedací místnost. Podobné stíněné komory jsou využívány nejen v rámci ochrany proti odposlechu, ale i v dalších odvětvích. Setkat se s nimi můžeme například při ochraně datových center před silnými elektrickými výboji nebo na vědecko-výzkumných pracovištích, kde je třeba vyloučit nežádoucí elektromagnetické pole při provádění citlivých měření.
Typy Faradayových místností a jejich účinnost
Konstruktéři společnosti Mudroch LABS s.r.o. používají pro realizaci Faradayových místností mimo jiné třívrstvý materiál, který v rámci elektromagnetického stínění výborně splňuje požadavky jak na kvalitní stínění elektrické, tak i magnetické složky. Výhodou je tím pádem i ochrana proti EMP (vysokoenergetický elektromagnetický pulz), který vzniká např. jako vedlejší produkt při neřízeném řetězovém štěpení jádra atomu, tedy jaderné explozi. EMP ničí veškerá speciálně nechráněná elektronická zařízení obsahující polovodičové součástky.
Princip stínění tkví ve vytvoření kvalitního stínění zájmového prostoru a doplnění o síťové a jiné filtry. Signály případného odposlechu, kompromitujícího vyzařování PC nebo jiných metod úniku informací a dat jsou takto doslova "uzamčeny" - dále se nemají kam šířit. Absorbéry zakomponované v konstrukci Faradayovy místnosti/klece zajišťují, že se přítomné signály při dopadu na absorbční materiál mění v tepelnou energii a počet odrazů signálu v prostoru se takto výrazně zmenšuje. Napájecí síťové i jiné kabely jsou při montáži osazeny kvalitními filtry, které zabraňují obousměrnému průniku nepřátelských signálů.
Doba realizace Faradayovy místnosti je závislá na členitosti, typu a rozsáhlosti prostoru, tedy 3-12 týdnů. Cena se může pohybovat již od 900,- EUR bez DPH/metr krychlový chráněného prostoru.
Kategorie Faradayových místností:
- Místnosti s největším útlumem: Mají díky své konstrukci a volbě materiálů největší útlum a jsou používány ve vysokofrekvenčních laboratořích, institucích posuzujících EMC kompatibilitu, laboratořích provádějících různá měření a posuzování např. vyzařovacích charakteristik a jiných vlastností antén nebo kompromitujícího vyzařování bojové techniky. Konstrukce tohoto typu místnosti vyžaduje kromě vyšších finančních nákladů především rozlehlejší prostor. Pokud má být absorbce dostatečně účinná už od frekvencí řádově kolem 150MHz, pak je nutné počítat s úbytkem prostoru alespoň 2m na každou stranu - i směrem od podlahy a stropu místnosti. U vyšších frekvencí je tato vzdálenost samozřejmě kratší.
- Místnosti pro ochranu proti odposlechu: Jsou vzhledem k poměru "cena/výkon" nejvhodnější pro účely ochrany proti odposlechu. Pokud jsou dodrženy určité technologické postupy, použity vhodné materiály a pokud je realizátor vybaven patřičnou měřící technikou, tak je účinnost naprosto vyhovující i přísným normám CISPR. Útlum tohoto typu místnosti je lepší než -100dB. V praxi to znamená, že signál výkonového odposlechu/štěnice, který má ve vzdálenosti 10m od štěnice intenzitu např. -40dBm, bude mít při té samé vzdálenosti za stěnou Faradayovy místnosti intenzitu menší než -140dBm - přitom hraniční citlivost přijímačů bývá kolem -110 až -120dBm.
- Místnosti s diskutabilní účinností: Tyto se skutečnou Faradayovou klecí/místností mají společný pouze obchodní název. Skutečné provedení těchto konstrukcí je na úrovni lepení měděných nebo pokovených fólií na stěny, nebo aplikace impregnačních nátěrů do omítek. Jelikož je jejich skutečná účinnost velmi diskutabilní až mizivá, tak se dá předpokládat, že spíše než k ochraně proti odposlechu slouží k relativně snadnému obohacování některých firem. V propagačních materiálech a popisech těchto konstrukcí se většinou ani nelze dopátrat konkrétních hodnot útlumu pro konkrétní kmitočtová pásma.
Čtěte také: Plechová střecha Satjam: Co byste měli vědět
tags: #faradayova #klec #strecha #informace