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 . Por lo general, se aplica a gabinetes, para aislar dispositivos eléctricos de su entorno y a cables para aislar cables del entorno por el que pasa el cable ( ). El blindaje electromagnético que bloquea la radiación electromagnética de radiofrecuencia (RF) también se conoce como blindaje RF .
El blindaje EMF sirve para minimizar las interferencias electromagnéticas . 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, forma y orientación de los agujeros en un escudo con respecto a un campo electromagnético incidente.
Los materiales típicos utilizados para el blindaje electromagnético incluyen una capa delgada de metal, láminas de metal , pantallas de metal y espuma de metal . Las láminas de metal comunes para blindaje incluyen cobre, latón, níquel, plata, acero y estaño. La eficacia del blindaje, es decir, qué tan bien un escudo refleja o absorbe/suprime la radiación electromagnética, se ve afectada por las propiedades físicas del metal. Estos pueden incluir conductividad, soldabilidad, permeabilidad, espesor y peso. Las propiedades de un metal son una consideración importante en la selección de materiales. 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 escudo o la malla debe ser significativamente más pequeño que la longitud de onda de la radiación que se mantiene afuera, o el recinto no se aproximará efectivamente a una superficie conductora ininterrumpida.
Otro método de protección comúnmente utilizado, especialmente con productos electrónicos alojados en carcasas de plástico, es recubrir el interior de la carcasa con una tinta metálica o material similar. La tinta consiste en un material portador cargado con un metal adecuado, típicamente cobre o níquel , en forma de partículas muy pequeñas. Se rocía sobre el gabinete y, una vez seco, produce una capa conductora continua de metal, que puede conectarse eléctricamente a la tierra del chasis del equipo, proporcionando así un blindaje eficaz.
El blindaje electromagnético es el proceso de reducir el campo electromagnético en un área bloqueándolo con material conductor o magnético. El cobre se utiliza para blindaje de radiofrecuencia (RF) porque absorbe radio y otras ondas electromagnéticas . Los gabinetes de blindaje de RF correctamente diseñados y construidos satisfacen la mayoría de las necesidades de blindaje de RF, desde salas de conmutación eléctrica y de computadoras hasta instalaciones de resonancia magnética y TAC en hospitales. [3] [4]
El blindaje EMI (interferencia electromagnética) 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/microondas (MAM) más eficientes. [5] El blindaje EMI a menudo se logra mediante un revestimiento de cobre no electrolítico, ya que 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 una 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 mampara 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 impedir el acceso a los datos almacenados en chips RFID integrados en diversos dispositivos, como los pasaportes biométricos . [6]
La OTAN especifica blindaje electromagnético para computadoras y teclados para evitar el monitoreo pasivo de las emisiones de los teclados que permitiría 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 para brindar protección contra señales de interferencia, incluidos AM, FM, TV, servicios de emergencia, despacho, buscapersonas, ESMR, celulares y PCS. También se puede utilizar para proteger el equipo en las instalaciones de transmisión de AM, FM o TV.
Otro ejemplo del uso práctico del blindaje electromagnético serían las aplicaciones de defensa. A medida que la tecnología mejora, también lo hace la susceptibilidad a diversos tipos de nefastas interferencias electromagnéticas. 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, se induce una corriente que provoca un desplazamiento de carga dentro del conductor que cancela el campo aplicado en el interior, momento en el cual la corriente se detiene. Consulte la jaula de Faraday para obtener más explicaciones.
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 adentro y los campos externos permanecen afuera.
Varios factores sirven para limitar la capacidad de protección de los escudos de RF reales. Una es que, debido a la resistencia eléctrica del conductor, el campo excitado no anula completamente el campo incidente. Además, la mayoría de los conductores exhiben una respuesta ferromagnética a los campos magnéticos de baja frecuencia [ cita necesaria ] , de modo que el conductor no atenúa completamente dichos campos. Cualquier agujero en el escudo obliga a la corriente a fluir a su alrededor, de modo que los campos que pasan a través de los agujeros no excitan campos electromagnéticos opuestos. Estos efectos reducen la capacidad de reflexión del campo del escudo.
En el caso de la radiación electromagnética de alta frecuencia , los ajustes mencionados anteriormente requieren una cantidad de tiempo no despreciable, pero la energía de dicha radiación, en la medida en que no se refleja, 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 llamada profundidad de la piel .
A veces los equipos requieren aislamiento de campos magnéticos externos. [8] Para campos magnéticos estáticos o que varían lentamente (por debajo de aproximadamente 100 kHz), el blindaje de Faraday descrito anteriormente es ineficaz. En estos casos se pueden utilizar escudos fabricados con aleaciones metálicas de alta permeabilidad magnética , como láminas de permalloy y mu-metal [9] [10] o con recubrimientos metálicos ferromagnéticos de 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 del campo magnético alrededor del volumen blindado. Por tanto, la mejor forma para las pantallas magnéticas es un recipiente cerrado que rodee el volumen protegido. 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 cuando el material se satura . Por lo tanto, para conseguir campos residuales bajos, los escudos 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 . También se pueden diseñar escudos activos que tengan en cuenta el acoplamiento electromagnético con escudos pasivos, [13] [14] [15] [16] [17] denominado blindaje híbrido , [18] de modo que haya un blindaje de banda ancha desde el escudo pasivo y cancelación adicional de componentes específicos utilizando el sistema activo.
Además, los materiales superconductores pueden expulsar campos magnéticos mediante el efecto Meissner .
Supongamos que tenemos una capa esférica de un material diamagnético (lineal e isotrópico) con permeabilidad relativa , con radio interior y radio exterior . Luego ponemos este objeto en un campo magnético constante:
