電磁シールド

電気工学において、電磁シールドとは、導電性または磁性材料でできた障壁を使用して、空間内の電磁場(EMF)を低減または方向転換する手法です。通常、筐体に適用され、電気機器を周囲から隔離したり、ケーブルに適用され、ケーブルが通る環境から配線を隔離したりします(シールド ケーブルを参照)。無線周波数(RF)の電磁放射をブロックする電磁シールドは、 RF シールドとも呼ばれます。

EMF シールドは、電磁干渉を最小限に抑えるのに役立ちます。シールドは、電波、電磁場、静電場の結合を減らすことができます。静電場をブロックするために使用される導電性エンクロージャは、ファラデー ケージとも呼ばれます。削減量は、使用される材料、その厚さ、シールドされたボリュームのサイズ、対象フィールドの周波数、および入射電磁場に対するシールドの穴のサイズ、形状、方向に大きく依存します。

電磁シールドに使用される一般的な材料には、金属の薄層、金属板、金属スクリーン、金属フォームなどがあります。シールド用の一般的な金属板には、銅、真鍮、ニッケル、銀、鋼、スズなどがあります。シールドの有効性、つまりシールドが電磁放射をどれだけ反射または吸収/抑制するかは、金属の物理的特性によって左右されます。これらには、導電性、はんだ付け性、透磁率、厚さ、重量などがあります。金属の特性は、材料選択において重要な考慮事項です。たとえば、電気的に優勢な波は、銅、銀、真鍮などの導電性の高い金属によって反射されますが、磁気的に優勢な波は、鋼やステンレス鋼などの導電性の低い金属によって吸収/抑制されます。^{[2]さらに、シールドまたはメッシュの穴は、遮断する放射の}波長よりも大幅に小さくする必要があります。そうしないと、エンクロージャは効果的に途切れのない導電性表面に近似しません。

プラスチック製の筐体に収納された電子機器でよく使用される別のシールド方法は、筐体の内側を金属インクまたは類似の材料でコーティングすることです。インクは、適切な金属（通常は銅またはニッケル）を非常に小さな粒子の形で含んだキャリア材料で構成されています。これを筐体にスプレーし、乾燥すると、連続した金属の導電層が生成されます。この層は、機器の シャーシ グランドに電気的に接続できるため、効果的なシールドが得られます。

電磁シールドとは、導電性または磁性材料で囲むことで、あるエリアの電磁場を低下させるプロセスです。 銅は、無線やその他の電磁波を吸収するため、無線周波数 (RF) シールドに使用されます。適切に設計および構築されたRF シールドエンクロージャは、コンピューターや電気スイッチングルームから病院のCAT スキャンやMRI施設まで、ほとんどの RF シールドのニーズを満たします。 ^{[3] [4]}

EMI（電磁干渉）シールドは研究対象として大きな関心を集めており、より効率的なRF/マイクロ波吸収材料（MAM）を得るために、フェライト、ポリマー、2D材料で作られたいくつかの新しいタイプのナノ複合材料が開発されています。^{[5] EMIシールドは、ほとんどの一般的なプラスチックが非導}電性であるため、銅の無電解メッキまたは特殊な導電性塗料によって実現されることがよくあります。^[1]

一例として、シールド ケーブルが挙げられます。このケーブルには、内部のコア導体を囲む金網の形で電磁シールドが施されています。シールドは、コア導体からの信号の漏れを防ぎ、コア導体に信号が追加されるのを防ぎます。一部のケーブルには、2 つの独立した同軸シールドがあり、1 つは両端に接続され、もう 1 つは片方の端のみに接続され、電磁場と静電場の両方のシールドを最大限に高めます。

電子レンジのドアには、窓にスクリーンが組み込まれています。マイクロ波 (波長 12 cm) の観点から見ると、このスクリーンは電子レンジの金属ハウジングによって形成されたファラデー ケージを完成させます。波長が 400 nm から 700 nm の可視光は、スクリーンの穴を簡単に通過します。

RFシールドは、生体認証パスポートなどのさまざまなデバイスに埋め込まれたRFIDチップに保存されたデータへのアクセスを防ぐためにも使用されます。^[6]

NATOは、パスワードを盗み取ることができるキーボードからの電磁波の受動的な監視を防ぐために、コンピュータとキーボードに電磁シールドを指定しています。消費者向けキーボードでは、主にコストが高すぎるため、この保護は提供されていません。^[7]

RF シールドは、AM、FM、テレビ、緊急サービス、ディスパッチ、ポケベル、ESMR、携帯電話、PCS などの干渉信号から医療機器や実験機器を保護するためにも使用されます。また、AM、FM、テレビ放送施設の機器を保護するためにも使用できます。

電磁シールドの実用的用途のもう 1 つの例は、防衛用途です。技術が進歩するにつれて、さまざまな種類の悪質な電磁干渉に対する感受性も高まります。ケーブルを接地された導電性バリア内に収めるというアイデアは、これらのリスクを軽減することができます。

電磁放射は結合した電場と磁場から成ります。電場は導体内の電荷キャリア (電子)に力を加えます。理想的な導体の表面に電場が加えられるとすぐに電流が誘導され、導体内の電荷が移動して内部の電場が打ち消され、その時点で電流は止まります。詳細については ファラデーケージを参照してください。

同様に、変化する 磁場は、印加された磁場を打ち消すように働く渦電流を生成します。(導体は、磁場に対して移動していない限り、静磁場には反応しません。) その結果、電磁放射は導体の表面から反射され、内部磁場は内部に留まり、外部磁場は外部に留まります。

実際の RF シールドのシールド能力を制限する要因はいくつかあります。1 つは、導体の電気抵抗により、励起されたフィールドが入射フィールドを完全に打ち消さないことです。また、ほとんどの導体は低周波の磁場に対して強磁性反応を示すため^[要出典] 、そのようなフィールドは導体によって完全に減衰されません。シールドに穴があると、その周囲に電流が流れるため、穴を通過するフィールドは反対の電磁場を励起しません。これらの影響により、シールドのフィールド反射能力が低下します。

高周波電磁波の場合、上記の調整には無視できない時間がかかりますが、そのような放射エネルギーは、反射されない限り皮膚に吸収されるため（皮膚が極端に薄い場合を除く）、この場合、内部にも電磁場はありません。これは、表皮効果と呼ばれるより大きな現象の1つの側面です。放射線がシールドを透過できる深さの尺度は、いわゆる表皮深さです。

機器は、外部の磁場から隔離する必要がある場合があります。^[8] 静的またはゆっくりと変化する磁場（約100 kHz未満）の場合、上記のファラデーシールドは効果がありません。これらの場合、パーマロイやミューメタルのシート^{[9] [10]などの高透}磁率金属合金で作られたシールド、またはナノ結晶粒構造の強磁性金属コーティングを使用したシールドを使用できます。^[11] これらの材料は、電気シールドのように磁場をブロックするのではなく、磁場を自分自身に引き込み、シールドされた体積の周囲に磁力線の経路を提供します。したがって、磁気シールドに最適な形状は、シールドされた体積を囲む閉じた容器です。このタイプのシールドの効果は材料の透磁率に依存し、通常、非常に低い磁場強度と材料が飽和する高い磁場強度の両方で透磁率が低下します。したがって、残留磁場を低くするために、磁気シールドは多くの場合、1つが他の1つに重ねられた複数の筐体で構成され、各筐体は内部の磁場を順次低減します。シールド表面内の入口穴により、シールドのパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。

パッシブシールドには上記のような制限があるため、静電気や低周波の電磁場で使用される代替手段としてアクティブシールドが挙げられます。アクティブシールドでは、電磁石によって生成された電磁場が体積内の周囲の電磁場を打ち消します。^[12] ソレノイドやヘルムホルツコイルは、この目的に使用できるタイプのコイルであり、磁気共鳴画像法のコイル設計で使用される方法を応用したより複雑な配線パターンも使用できます。アクティブシールドは、パッシブシールドとの電磁結合を考慮して設計することもできます。^{[13] [14] [15] [16] [17]これは}ハイブリッドシールドと呼ばれ、^[18]パッシブシールドからの広帯域シールドと、アクティブシステムを使用した特定のコンポーネントの追加的な打ち消しが行われます。

さらに、超伝導材料はマイスナー効果によって磁場を排除することができます。

相対透磁率 、内半径、外半径の（線形かつ等方性の）反磁性体の球殻があるとします。次に、この物体を一定の磁場の中に置きます。 この問題には、反磁性体の境界上の束縛電流を除いて電流は存在しないため、ラプラス方程式を満たす磁気スカラー ポテンシャルを定義できます。 ここ で、 この特定の問題には方位対称性があるため、球座標におけるラプラス方程式の解は次のようになります。 境界で 境界条件を一致させた後 （ここで、 は、サイド 1 からサイド 2 を指す、表面に垂直な単位ベクトル）、球殻の空洞内の磁場は次のようになります。 ここ で、 は、反磁性体の厚さと材料の透磁率に依存する減衰係数です。 この係数は、この材料が、それが囲む空洞から外部磁場を遮蔽する有効性を表します。この係数は の極限で 1 (遮蔽なし) に近づくことに注意してください。 の極限では、この係数は 0 (完全遮蔽) に近づくことになります。 のとき、減衰係数はより単純な形をとります。 これは磁場が のように減少することを示しています。^[19]${\displaystyle \mu_{\text{r}}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$$${\displaystyle \mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }} -H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}}$$$${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}}$$$${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H} }$$$${\displaystyle \Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{ r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )}$$$${\displaystyle {\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0 \\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{整列}}}$$${\displaystyle {\hat {n}}}$$${\displaystyle \mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}}$$${\displaystyle \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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• ミューメタルシールドに関するよくある質問（ドイツMARCHANDISEによるFAQ）透磁率
• クレムソン自動車電子工学研究所: シールド効果計算機 2017-07-09 にWayback Machineでアーカイブ
• 医療製品のシールド問題 ( PDF ) — ETS-Lindgren 論文
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