Blindaje electromagnético

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En ingeniería eléctrica , el blindaje electromagnético es la práctica de reducir o redirigir el campo electromagnético (CEM) en un espacio con barreras hechas de materiales conductores o magnéticos . Se aplica típicamente a los recintos, para aislar los dispositivos eléctricos de su entorno, y a los cables para aislar los cables del entorno por el que pasan ( ver Cable blindado ). El blindaje electromagnético que bloquea la radiación electromagnética de radiofrecuencia (RF) también se conoce como blindaje de RF .

El blindaje EMF sirve para minimizar la interferencia electromagnética . El blindaje puede reducir el acoplamiento de ondas de radio, campos electromagnéticos y campos electrostáticos . Un recinto conductor utilizado para bloquear campos electrostáticos también se conoce como jaula de Faraday . La cantidad de reducción depende en gran medida del material utilizado, su espesor, el tamaño del volumen blindado y la frecuencia de los campos de interés y el tamaño, la forma y la orientación de los orificios en un blindaje con respecto a un campo electromagnético incidente.

Los materiales típicos utilizados para el blindaje electromagnético incluyen una capa fina de metal, chapa metálica , pantalla metálica y espuma metálica . Las láminas de metal comunes para el blindaje incluyen cobre, latón, níquel, plata, acero y estaño. La eficacia del blindaje, es decir, lo bien que un blindaje refleja o absorbe/suprime la radiación electromagnética, se ve afectada por las propiedades físicas del metal. Estas pueden incluir conductividad, soldabilidad, permeabilidad, espesor y peso. Las propiedades de un metal son una consideración importante en la selección del material. Por ejemplo, las ondas eléctricamente dominantes son reflejadas por metales altamente conductores como el cobre, la plata y el latón, mientras que las ondas magnéticamente dominantes son absorbidas/suprimidas por un metal menos conductor como el acero o el acero inoxidable . ^[2] Además, cualquier orificio en el blindaje o la malla debe ser significativamente más pequeño que la longitud de onda de la radiación que se mantiene fuera, o el gabinete no se aproximará efectivamente a una superficie conductora ininterrumpida.

Otro método de protección que se utiliza habitualmente, especialmente en el caso de productos electrónicos alojados en carcasas de plástico, consiste en recubrir el interior de la carcasa con una tinta metálica o un material similar. La tinta consiste en un material portador cargado con un metal adecuado, normalmente cobre o níquel , en forma de partículas muy pequeñas. Se rocía sobre la carcasa y, una vez seca, produce una capa conductora continua de metal, que se puede conectar eléctricamente a la toma de tierra del chasis del equipo, proporcionando así un blindaje eficaz.

El blindaje electromagnético es el proceso de reducir el campo electromagnético en un área mediante la colocación de barricadas con material conductor o magnético. El cobre se utiliza para el blindaje de radiofrecuencia (RF) porque absorbe las ondas de radio y otras ondas electromagnéticas . Los gabinetes de blindaje de RF diseñados y construidos adecuadamente satisfacen la mayoría de las necesidades de blindaje de RF, desde salas de computadoras y de conmutación eléctrica hasta instalaciones de tomografía computarizada y resonancia magnética de hospitales . ^{[3] [4]}

El blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) es de gran interés para la investigación y se están desarrollando varios tipos nuevos de nanocompuestos hechos de ferritas, polímeros y materiales 2D para obtener materiales absorbentes de RF y microondas (MAM) más eficientes. ^[5] El blindaje contra EMI se logra a menudo mediante el recubrimiento electrolítico de cobre, ya que la mayoría de los plásticos más populares no son conductores, o mediante pintura conductora especial. ^[1]

Un ejemplo es un cable blindado , que tiene un blindaje electromagnético en forma de malla de alambre que rodea un conductor central interno. El blindaje impide el escape de cualquier señal del conductor central y también evita que se agreguen señales al conductor central. Algunos cables tienen dos pantallas coaxiales separadas , una conectada en ambos extremos y la otra en un solo extremo, para maximizar el blindaje de los campos electromagnéticos y electrostáticos.

La puerta de un horno microondas tiene una pantalla integrada en la ventana. Desde la perspectiva de las microondas (con longitudes de onda de 12 cm), esta pantalla remata una jaula de Faraday formada por la carcasa metálica del horno. La luz visible, con longitudes de onda que oscilan entre 400 nm y 700 nm, pasa fácilmente a través de los agujeros de la pantalla.

El blindaje RF también se utiliza para evitar el acceso a datos almacenados en chips RFID integrados en diversos dispositivos, como los pasaportes biométricos . ^[6]

La OTAN especifica el blindaje electromagnético para computadoras y teclados a fin de evitar el monitoreo pasivo de las emisiones del teclado que permitirían capturar contraseñas; los teclados de consumo no ofrecen esta protección principalmente debido a su costo prohibitivo. ^[7]

El blindaje de RF también se utiliza para proteger equipos médicos y de laboratorio contra señales de interferencia, incluidas AM, FM, TV, servicios de emergencia, despacho, buscapersonas, ESMR, celulares y PCS. También se puede utilizar para proteger los equipos en las instalaciones de transmisión de AM, FM o TV.

Otro ejemplo del uso práctico del blindaje electromagnético sería en aplicaciones de defensa. A medida que la tecnología mejora, también lo hace la susceptibilidad a diversos tipos de interferencias electromagnéticas nocivas. La idea de encerrar un cable dentro de una barrera conductora conectada a tierra puede mitigar estos riesgos.

La radiación electromagnética consiste en campos eléctricos y magnéticos acoplados. El campo eléctrico produce fuerzas sobre los portadores de carga (es decir, los electrones ) dentro del conductor. Tan pronto como se aplica un campo eléctrico a la superficie de un conductor ideal, induce una corriente que provoca un desplazamiento de carga dentro del conductor que cancela el campo aplicado en su interior, momento en el cual la corriente se detiene. Consulte la jaula de Faraday para obtener más información.

De manera similar, los campos magnéticos variables generan corrientes parásitas que actúan para cancelar el campo magnético aplicado. (El conductor no responde a los campos magnéticos estáticos a menos que se mueva en relación con el campo magnético). El resultado es que la radiación electromagnética se refleja desde la superficie del conductor: los campos internos permanecen dentro y los campos externos permanecen fuera.

Varios factores limitan la capacidad de protección de los blindajes de RF reales. Uno de ellos es que, debido a la resistencia eléctrica del conductor, el campo excitado no cancela por completo el campo incidente. Además, la mayoría de los conductores presentan una respuesta ferromagnética a los campos magnéticos de baja frecuencia, ^{[ cita requerida ]} de modo que dichos campos no son atenuados por completo por el conductor. Los agujeros en el blindaje fuerzan a la corriente a fluir a su alrededor, de modo que los campos que pasan a través de ellos no excitan campos electromagnéticos opuestos. Estos efectos reducen la capacidad de reflexión de campo del blindaje.

En el caso de la radiación electromagnética de alta frecuencia , los ajustes mencionados anteriormente requieren una cantidad de tiempo nada despreciable, pero la energía de dicha radiación, siempre que no se refleje, es absorbida por la piel (a menos que sea extremadamente fina), por lo que en este caso tampoco hay campo electromagnético en su interior. Este es un aspecto de un fenómeno mayor llamado efecto piel . Una medida de la profundidad a la que la radiación puede penetrar el escudo es la denominada profundidad de la piel .

En ocasiones, los equipos requieren aislamiento de los campos magnéticos externos. ^[8] Para campos magnéticos estáticos o que varían lentamente (por debajo de unos 100 kHz), el blindaje de Faraday descrito anteriormente no es efectivo. En estos casos, se pueden utilizar blindajes fabricados con aleaciones metálicas de alta permeabilidad magnética , como láminas de permalloy y mu-metal ^{[9] [10]} o con revestimientos metálicos ferromagnéticos con estructura de grano nanocristalino. ^[11] Estos materiales no bloquean el campo magnético, como ocurre con el blindaje eléctrico, sino que atraen el campo hacia sí mismos, proporcionando un camino para las líneas de campo magnético alrededor del volumen blindado. Por tanto, la mejor forma para los blindajes magnéticos es un contenedor cerrado que rodee el volumen blindado. La eficacia de este tipo de blindaje depende de la permeabilidad del material, que generalmente disminuye tanto con intensidades de campo magnético muy bajas como con intensidades de campo altas en las que el material se satura . Por tanto, para conseguir campos residuales bajos, los blindajes magnéticos suelen constar de varios recintos, uno dentro del otro, cada uno de los cuales reduce sucesivamente el campo en su interior. Los orificios de entrada dentro de las superficies de protección pueden degradar significativamente su rendimiento.

Debido a las limitaciones anteriores del blindaje pasivo, una alternativa utilizada con campos estáticos o de baja frecuencia es el blindaje activo, en el que un campo creado por electroimanes cancela el campo ambiental dentro de un volumen. ^[12] Los solenoides y las bobinas de Helmholtz son tipos de bobinas que se pueden utilizar para este propósito, así como patrones de cables más complejos diseñados utilizando métodos adaptados de los utilizados en el diseño de bobinas para imágenes por resonancia magnética . Los blindajes activos también se pueden diseñar teniendo en cuenta el acoplamiento electromagnético con los blindajes pasivos, ^{[13] [14] [15] [16] [17]} denominado blindaje híbrido , ^[18] de modo que haya un blindaje de banda ancha del blindaje pasivo y una cancelación adicional de componentes específicos que utilicen el sistema activo.

Además, los materiales superconductores pueden expulsar campos magnéticos a través del efecto Meissner .

Supongamos que tenemos una carcasa esférica de un material diamagnético (lineal e isótropo) con permeabilidad relativa , con radio interior y radio exterior . Luego colocamos este objeto en un campo magnético constante: Dado que no hay corrientes en este problema excepto por posibles corrientes ligadas en los límites del material diamagnético, entonces podemos definir un potencial escalar magnético que satisface la ecuación de Laplace: donde En este problema particular hay simetría azimutal por lo que podemos escribir que la solución a la ecuación de Laplace en coordenadas esféricas es: Después de hacer coincidir las condiciones de contorno en los límites (donde es un vector unitario que es normal a la superficie apuntando del lado 1 al lado 2), entonces encontramos que el campo magnético dentro de la cavidad en la carcasa esférica es: donde es un coeficiente de atenuación que depende del espesor del material diamagnético y la permeabilidad magnética del material: Este coeficiente describe la efectividad de este material para proteger el campo magnético externo de la cavidad que rodea. Obsérvese que este coeficiente va apropiadamente a 1 (sin apantallamiento) en el límite en el que . En el límite en el que este coeficiente va a 0 (apantallamiento perfecto). Cuando , entonces el coeficiente de atenuación toma la forma más simple: lo que muestra que el campo magnético disminuye como . ^[19]${\displaystyle \mu_{\text{r}}}$${\estilo de visualización a}$${\estilo de visualización b}$$${\displaystyle \mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }} -H_ {0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}}$$$${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}}$$$${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _ {\text{r}}\mathbf {H} }$$$${\displaystyle \Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{ r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )}$$$${\displaystyle {\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0 \\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}}$$${\displaystyle {\hat {n}}}$$${\displaystyle \mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}}$$${\estilo de visualización \eta}$$${\displaystyle \eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}}$$${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to 1}$${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to \infty }$${\displaystyle \mu_{\text{r}}\gg 1}$$${\displaystyle \eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}}$$${\displaystyle \mu_{\text{r}}^{-1}}$

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• Todo sobre el material Mu Metal Permalloy
• Preguntas frecuentes sobre blindajes de Mu Metal (FAQ de MARCHANDISE, Alemania) permeabilidad magnética
• Laboratorio de electrónica vehicular de Clemson: Calculadora de eficacia de blindaje Archivado el 9 de julio de 2017 en Wayback Machine
• Cuestiones de protección para productos médicos ( PDF ) — Documento de ETS-Lindgren
• Tutorial práctico sobre blindaje electromagnético
• Simulación de blindaje electromagnético en el entorno multifísico COMSOL