ファラデーケージ

ファラデーケージまたはファラデーシールドは、電磁場を遮断するために使用される筐体です。ファラデーシールドは、導電性材料の連続的なカバーによって形成されますが、ファラデーケージの場合は、そのような材料のメッシュによって形成されます。ファラデーケージは、1836年に初めて構築した科学者マイケルファラデーにちなんで名付けられました。 ^[1]

ファラデーケージが機能するのは、外部の電界により、ケージの導電性材料内の電荷が、ケージ内部の電界効果を打ち消すような形で分散されるためです。この現象は、デバイスのテストや調整中に、外部の無線周波数干渉(RFI)から敏感な電子機器( RF 受信機など) を保護するために使用できます。ファラデーケージは、ケージが囲まれた空間の外側に電流を伝導し、内部には電流が流れないため、落雷や静電放電などの電流から人や機器を保護するためにも使用されます。

ファラデーケージは、地球の磁場のような安定した磁場やゆっくりと変化する磁場を遮断することはできません(コンパスはケージ内でも機能します)。ただし、導体が十分に厚く、穴が放射線の波長よりも大幅に小さい場合、外部の電磁放射線から内部をかなり遮断できます。たとえば、電磁干渉のない環境を必要とする電子システムの特定のコンピューター フォレンジックテスト手順は、遮蔽された部屋で実行できます。これらの部屋は、1 層以上の細かい金属メッシュまたは穴あき金属板で完全に囲まれた空間です。金属層は接地されているため、外部または内部の電磁場から発生する電流が消散し、大量の電磁干渉を遮断します (電磁シールドも参照)。ファラデーケージは、受信よりも送信の減衰が少なく、自然現象による電磁パルス(EMP) 波を非常に効果的に遮断できますが、特に高周波数では、追跡装置がケージ内から侵入できる場合があります (たとえば、一部の携帯電話はさまざまな無線周波数で動作するため、1 つの周波数では機能しないかもしれませんが、別の周波数では機能します)。

ファラデーケージ内のアンテナとの間の電磁放射の一種である電波の受信または送信は、ケージによって大幅に減衰またはブロックされます。ただし、ファラデーケージの減衰は、波形、周波数、受信機または送信機からの距離、受信機または送信機の電力に応じて異なります。HF RFIDのような近距離場の高出力周波数送信は、透過する可能性が高くなります。一般に、ソリッドケージはメッシュケージよりも広い周波数範囲にわたって場を減衰します。

1754 年、ジャン アントワーヌ ノレは、彼の『身体実験』でケージ効果の説明を発表しました。^[2]

1755年、ベンジャミン・フランクリンは、帯電していないコルクボールを絹糸で吊り下げ、帯電した金属缶の開口部から降ろすことで、この効果を観察しました。この動作はファラデーケージまたはシールドのようなものです。^{[3] [検証失敗]}

1836 年、マイケル ファラデーは、帯電した導体の過剰電荷は導体の外側にのみ存在し、導体内に閉じ込められたものには影響を与えないことを観察しました。これを実証するために、彼は金属箔で覆われた部屋を作り、静電発生器からの高電圧放電を部屋の外側に当てました。彼は検電器を使用して、部屋の壁の内側には電荷が存在しないことを実証しました。

連続ファラデーシールドは中空の導体です。外部または内部から印加された電磁場は導体内の電荷キャリア（通常は電子）に力を発生させ、静電誘導により電荷がそれに応じて再分配されます。再分配された電荷は表面内の電圧を大幅に低下させますが、その程度は静電容量に依存します。ただし、完全なキャンセルは発生しません。^[4]

接地されていないファラデーシールド内に壁に触れずに電荷 +Q を置くと、シールドの内面が -Q で帯電し、電荷から始まり金属の内面の電荷まで伸びる磁力線が発生します。この内部空間の磁力線の経路 (終点の負電荷まで) は、内側の封じ込め壁の形状に依存します。同時に、+Q はシールドの外面に蓄積されます。外面の電荷の広がりは、筐体内の内部電荷の位置には影響されず、外面の形状によって決まります。そのため、事実上、ファラデーシールドは、金属が単に +Q で帯電した場合に発生するのと同じ静電場を外側に生成します。電界線と外部と内部の分離の詳細については、たとえばファラデーの氷桶の実験を参照してください。電磁波は静電荷ではないことに注意してください。

ケージが接地されている場合、接地接続によってケージの外側と環境の間に等電位結合が作成され、余分な電荷が中和されるため、両者の間に電圧はなく、したがって電界も発生しません。内面と内部電荷は同じままなので、電界は内部に保持されます。

静電場の遮蔽効果は導電性材料の形状にはほとんど依存しませんが、静磁場は遮蔽を完全に貫通する可能性があります。

変化する電磁場の場合、変化が速いほど（つまり、周波数が高いほど）、材料は磁場の浸透によく抵抗します。この場合、シールドは電気伝導率、ケージに使用される導電性材料の磁気特性、および厚さにも依存します。

ファラデー シールドの有効性の良い例は、表皮深さを考慮することで得られます。表皮深さでは、電流は主に表面を流れ、材料の深さとともに指数関数的に減少します。ファラデー シールドの厚さは有限であるため、これによってシールドの有効性が決まります。シールドが厚いほど、電磁場をより効果的に、より低い周波数まで減衰させることができます。

ファラデー ケージは穴の開いたファラデー シールドであるため、分析がより複雑になります。連続シールドは基本的に、船体素材の表皮の深さが船体の厚さより小さいすべての波長を減衰させますが、ケージの穴はより短い波長を通過させたり、表面のすぐ外側に「エバネッセント場」(電磁波として伝播しない振動場) を設定したりします。波長が短いほど、特定のサイズのメッシュをよりよく通過します。したがって、短い波長 (つまり、高周波) でうまく機能するには、ケージの穴は入射波の波長よりも小さくなければなりません。

• ファラデーケージは、高感度測定を行う際のノイズを低減するために、分析化学で日常的に使用されています。
• ファラデーケージ、より具体的には二重対継ぎ目ファラデーバッグは、犯罪デジタル証拠のリモートワイプや改ざんを防ぐためにデジタルフォレンジックでよく使用されます。
• ファラデーバッグは、携帯電話のデジタルプライバシーの強化からクレジットカードのRFIDスキミングからの保護まで、幅広い用途でデバイスを電磁波から保護するために使用する金属材料で作られた携帯用容器です。
• 米国および NATO のTempest規格、および他の国の同様の規格には、コンピューターの放射セキュリティを提供するための広範な取り組みの一環としてファラデーケージが含まれています。
• 自動車や飛行機の客室は本質的にファラデーケージであり、雷などの電荷から乗客を保護します。
• 自動車や航空機の電子部品は、干渉から信号を保護するためにファラデーケージを使用しています。敏感な部品には、ワイヤレスドアロック、ナビゲーション/GPSシステム、車線逸脱警報システムなどがあります。ファラデーケージとシールドは、緊急時に重要な回路として機能するように設計されている可能性のある車両インフォテインメントシステム（ラジオ、Wi-Fi、GPSディスプレイユニットなど）にとっても重要です。^{[5] [6]}
• ブースターバッグ（アルミホイルで裏打ちされた買い物袋）はファラデーケージの役割を果たします。万引き犯はこれをよく使ってRFIDタグ付きの商品を盗みます。^{[7]同様の容器が}RFIDスキミングを 防ぐためにも使われます。
• 金属製の導電性フレームと壁を備えたエレベーターやその他の部屋では、ファラデーケージ効果がシミュレートされ、携帯電話、ラジオ、および外部の電磁信号を必要とするその他の電子機器のユーザーにとって、信号が失われ、「デッドゾーン」が発生します。訓練中、消防士やその他の緊急対応要員は、双方向無線がエレベーター内では機能しない可能性が高いため、そのことを考慮に入れるように注意されます。
• 小型の物理的なファラデーケージは、電子機器のテスト中に電子技術者によって使用され、このような環境をシミュレートして、デバイスがこれらの条件に適切に対応できるかどうかを確認します。^{[引用が必要]}
• 適切に設計された導電性の衣服も、保護用のファラデーケージを形成することができます。電気工事員の中には、感電の危険なしに通電中の高圧電力線で作業できるファラデースーツを着用する人もいます。このスーツは電流が体に流れるのを防ぎ、理論上の電圧制限はありません。電気工事員は、最高電圧の電力線（カザフスタンのエキバストゥズ-コクシェタウ線1150 kV）でも安全に作業することに成功しています。^{[引用が必要]}
• 磁気共鳴画像診断装置 (MRI) のスキャンルームはファラデー ケージとして設計されています。これにより、患者から収集されたデータに外部の RF (無線周波数) 信号が追加され、結果の画像に影響が出るのを防ぎます。技術者は、雷雨などでファラデー ケージが損傷した場合に、画像上に作成される特徴的なアーティファクトを特定できるように訓練されています。
• 電子レンジは、内部の6面のうち5面に部分的なファラデーシールドを使用し、6面目（透明窓）には金網でできた部分的なファラデーケージを使用して、電子レンジ内の電磁エネルギーを閉じ込め、ユーザーをマイクロ波放射線への曝露から保護します。^[8]
• 交通中や現金で支払う場合など、電子料金徴収装置に通行料を請求すべきでない場合には、金属を含浸させたビニール袋を電子料金徴収装置を包むのに使用します。 ^[要出典]
• USBケーブルやケーブルテレビに使用される同軸ケーブルなどのシールド ケーブルのシールドは、内部導体を外部の電気ノイズから保護し、RF 信号が漏れるのを防ぎます。
• エレキギターなどの一部の楽器の電子部品は、銅箔またはアルミ箔で作られたファラデーケージによって保護されており、スピーカー、アンプ、舞台照明、その他の音楽機器からの干渉から楽器の電磁ピックアップを保護します。
• 刑務所などの建物の中には、受刑者の携帯電話の発着信を遮断する目的からファラデーケージとして建設されているものもあります。^{[9] [10]}グリーンバンク天文台の展示ホールは、電波望遠鏡の動作への干渉を防ぐためにファラデーケージになっています。^[11]

• 無響室
• 静電気防止バッグ
• 導電性繊維
• アルミホイル帽子
• ガウスの法則
• 携帯電話ジャマー
• ミューメタル
• マイラーブランケット
• テスラコイル
• ヴァンデグラフ発電機

ウィキメディア・コモンズには、ファラデーケージに関連するメディアがあります。

• ファラデーケージは 100,000 V から保護します:: Physikshow Uni Bonn
• ミシガン州立大学のファラデーケージに関する物理学講義のノート
• インド製ファラデーケージ
• トップギアのリチャード・ハモンドは、車（ファラデーケージ）によって 60 万ボルトから保護されています。