Blindaje electromagnético

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 recintos, para aislar dispositivos eléctricos de su entorno, y a cables para aislar los conductores del entorno por el que discurren ( ). El blindaje electromagnético que bloquea la radiación electromagnética de radiofrecuencia (RF) también se conoce como blindaje RF .

Las mediciones prácticas de campo en dormitorios residenciales suelen utilizar medidores de CEM de consumo para determinar los niveles de exposición local. ^{[ 1 ]}

El blindaje contra campos electromagnéticos (CEM) minimiza las interferencias electromagnéticas . Este blindaje reduce el acoplamiento de ondas de radio, campos electromagnéticos y campos electrostáticos . Una jaula de Faraday es un recinto conductor utilizado para bloquear campos electrostáticos . La magnitud de la reducción depende en gran medida del material empleado, su grosor, el tamaño del volumen blindado, la frecuencia de los campos de interés y el tamaño, la forma y la orientación de los orificios del blindaje con respecto al campo electromagnético incidente.

Los materiales típicos utilizados para el blindaje electromagnético incluyen capas delgadas de metal, láminas metálicas , mallas metálicas y espuma metálica . Las láminas metálicas comunes para blindaje incluyen cobre, latón, níquel, plata, acero y estaño. La eficacia del blindaje, es decir, qué tan bien 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 dominantes eléctricas son reflejadas por metales altamente conductores como el cobre, la plata y el latón, mientras que las ondas dominantes magnéticas son absorbidas/suprimidas por un metal menos conductor como el acero o el acero inoxidable . ^{[ 3 ]} Además, cualquier orificio en el blindaje o malla debe ser significativamente más pequeño que la longitud de onda de la radiación que se está bloqueando, o el recinto no se aproximará eficazmente a una superficie conductora continua.

Otro método de blindaje comúnmente utilizado, especialmente en equipos electrónicos alojados en carcasas de plástico, consiste en recubrir el interior de la carcasa con una tinta metálica o un material similar. Esta tinta se compone de un material portador cargado con un metal adecuado, generalmente cobre o níquel , en forma de partículas muy pequeñas. Se pulveriza sobre la carcasa y, una vez seca, forma una capa conductora continua de metal que puede conectarse eléctricamente a la toma de tierra del equipo, proporcionando así un blindaje eficaz.

El blindaje electromagnético es el proceso de reducir el campo electromagnético en un área mediante su aislamiento con material conductor o magnético. El cobre se utiliza para el blindaje de radiofrecuencia (RF) debido a su capacidad para absorber ondas de radio y otras ondas electromagnéticas . Los recintos 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 (TC) y resonancia magnética (RM) en hospitales . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

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 radiofrecuencia/microondas (MAM) más eficientes. ^{[ 6 ]} El blindaje EMI se suele lograr mediante el recubrimiento químico de cobre, ya que la mayoría de los plásticos más comunes no son conductores, o mediante pintura conductora especial. ^{[ 2 ]}

Un ejemplo es el cable apantallado , que cuenta con un blindaje electromagnético en forma de malla metálica que rodea un conductor central. Este blindaje impide la fuga de cualquier señal del conductor central y también evita que se le sumen señales. Algunos cables tienen dos pantallas coaxiales separadas : una conectada en ambos extremos y la otra solo en uno, para maximizar el blindaje contra campos electromagnéticos y electrostáticos.

La puerta de un horno microondas incorpora una rejilla en la ventana. Desde la perspectiva de las microondas (con longitudes de onda de 12  cm), esta rejilla completa una jaula de Faraday formada por la carcasa metálica del horno. La luz visible, con longitudes de onda comprendidas entre 400  nm y 700  nm, atraviesa fácilmente los orificios de la rejilla.

El blindaje de RF también se utiliza para evitar el acceso a los datos almacenados en chips RFID integrados en varios dispositivos, como pasaportes biométricos . ^{[ 7 ]}

La OTAN especifica el blindaje electromagnético para ordenadores y teclados con el fin de evitar la monitorización pasiva de las emisiones del teclado que permitiría capturar contraseñas; los teclados de consumo no ofrecen esta protección principalmente debido a su coste prohibitivo. ^{[ 8 ]}

El blindaje de radiofrecuencia también se utiliza para proteger equipos médicos y de laboratorio contra señales interferentes, como las de AM, FM, televisión, servicios de emergencia, central de comunicaciones, buscapersonas, ESMR, telefonía celular y PCS. Asimismo, puede utilizarse para proteger los equipos de las emisoras de AM, FM o televisión.

Otro ejemplo de la aplicación práctica del blindaje electromagnético se encuentra en el ámbito de la defensa. A medida que la tecnología avanza, también aumenta la susceptibilidad a diversos tipos de interferencias electromagnéticas dañinas. La idea de recubrir un cable con una barrera conductora conectada a tierra puede mitigar estos riesgos.

La radiación electromagnética consiste en campos eléctricos y magnéticos acoplados . El campo eléctrico ejerce 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 en el interior del conductor, lo cual anula el campo aplicado, momento en el cual la corriente cesa.

De forma similar, los campos magnéticos variables generan corrientes parásitas que neutralizan el campo magnético aplicado. (El conductor no responde a campos magnéticos estáticos a menos que se mueva con respecto a dicho campo). Como resultado, la radiación electromagnética se refleja en la superficie del conductor: los campos internos permanecen dentro y los externos fuera.

Diversos factores limitan la capacidad de apantallamiento de las pantallas de radiofrecuencia reales. Uno de ellos es que, debido a la resistencia eléctrica del conductor, el campo excitado no anula por completo el campo incidente. Además, la mayoría de los conductores presentan una respuesta ferromagnética a campos magnéticos de baja frecuencia, por lo que estos no se atenúan totalmente. Cualquier orificio en la pantalla obliga a que la corriente fluya 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 del campo de la pantalla.

En el caso de la radiación electromagnética de alta frecuencia , los ajustes mencionados anteriormente requieren un tiempo considerable; sin embargo, cualquier energía de dicha radiación, en la medida en que no se refleje, es absorbida por la piel (a menos que sea extremadamente delgada), por lo que en este caso tampoco existe un campo electromagnético en el interior. Este es un aspecto de un fenómeno más amplio llamado efecto piel . Una medida de la profundidad a la que la radiación puede penetrar el blindaje es la denominada profundidad de penetración .

En ocasiones, los equipos requieren aislamiento de campos magnéticos externos. ^{[ 9 ]} Para campos magnéticos estáticos o de variación lenta (por debajo de unos 100  kHz), el blindaje de Faraday descrito anteriormente resulta ineficaz. En estos casos, se pueden utilizar blindajes fabricados con aleaciones metálicas de alta permeabilidad magnética , como láminas de permalloy y mu-metal ^{[ 10 ] [ 11 ]} o con recubrimientos de metal ferromagnético con estructura de grano nanocristalino. ^{[ 12 ]} Estos materiales no bloquean el campo magnético, como ocurre con el blindaje eléctrico, sino que lo atraen hacia sí mismos, proporcionando una trayectoria para las líneas de campo magnético alrededor del volumen blindado. Por lo tanto, la mejor forma para los blindajes magnéticos es un contenedor cerrado que rodea el volumen blindado. La eficacia de este tipo de blindaje depende de la permeabilidad del material, que generalmente disminuye tanto a intensidades de campo magnético muy bajas como a intensidades de campo altas, donde el material se satura . Por consiguiente, para lograr campos residuales bajos, los blindajes magnéticos suelen consistir en varios recintos, uno dentro del otro, cada uno de los cuales reduce sucesivamente el campo en su interior. Los orificios de entrada en las superficies de blindaje 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. ^{[ 13 ]} 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 de resonancia magnética . Los blindajes activos también se pueden diseñar teniendo en cuenta el acoplamiento electromagnético con blindajes pasivos, ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} denominado blindaje híbrido , ^{[ 19 ]} de modo que haya un blindaje de banda ancha del blindaje pasivo y una 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${\displaystyle \mu _{\text{r}}}$, con radio interior${\displaystyle a}$y radio exterior${\displaystyle b}$Luego colocamos este objeto en un campo magnético constante :$${\displaystyle \mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}}$$ Dado que en este problema no hay corrientes, salvo posibles corrientes ligadas en los límites del material diamagnético, podemos definir un potencial escalar magnético que satisface la ecuación de Laplace : $${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}}$$ dónde $${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H} }$$ En este problema en particular hay simetría azimutal, por lo que podemos escribir que la solución a la ecuación de Laplace en coordenadas esféricas es: $${\displaystyle \Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )}$$ Después de igualar las condiciones de contorno $${\displaystyle {\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}}$$ en los límites (donde${\displaystyle {\hat {n}}}$es un vector unitario que es normal a la superficie y apunta del lado 1 al lado 2), entonces encontramos que el campo magnético dentro de la cavidad en la capa esférica es: $${\displaystyle \mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}}$$ dónde${\displaystyle \eta }$es un coeficiente de atenuación que depende del espesor del material diamagnético y de la permeabilidad magnética del material: $${\displaystyle \eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}}$$ Este coeficiente describe la efectividad de este material para blindar el campo magnético externo de la cavidad que lo rodea. Nótese que este coeficiente tiende apropiadamente a 1 (sin blindaje) en el límite que${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to 1}$. En el límite que${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to \infty }$Este coeficiente tiende a 0 (apantallamiento perfecto). Cuando${\displaystyle \mu _{\text{r}}\gg 1}$, entonces el coeficiente de atenuación adopta la forma más simple: $${\displaystyle \eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}}$$ lo que demuestra que el campo magnético disminuye como${\displaystyle \mu _{\text{r}}^{-1}}$. ^{[ 20 ]}

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• Todo sobre el material Mu Metal Permalloy
• Preguntas frecuentes sobre blindajes de metal Mu (FAQ de MARCHANDISE, Alemania) permeabilidad magnética
• Laboratorio de Electrónica Vehicular de Clemson: Calculadora de Eficacia de Blindaje Archivada el 9 de julio de 2017 en Wayback Machine
• Problemas de blindaje para productos médicos ( PDF ) — Documento de ETS-Lindgren
• Tutorial práctico sobre blindaje electromagnético
• Simulación de blindaje electromagnético en el entorno multifísico de COMSOL