Blindagem eletromagnética

Na engenharia elétrica, blindagem eletromagnética é a prática de reduzir ou redirecionar o campo eletromagnético (CEM) em um espaço com barreiras feitas de materiais condutores ou magnéticos. É tipicamente aplicada a invólucros, para isolar dispositivos elétricos de seu entorno, e a cabos para isolar fios do ambiente através do qual o cabo passa (veja Cabo blindado). A blindagem eletromagnética que bloqueia a radiação eletromagnética de radiofrequência (RF) também é conhecida como blindagem de RF.

Medições práticas de campo em quartos residenciais tipicamente usam medidores de CEM (Campos Eletromagnéticos) de consumo para determinar os níveis de exposição local.^[1]

A blindagem de CEM serve para minimizar a interferência eletromagnética. A blindagem pode reduzir o acoplamento [en] de ondas de rádio, campos eletromagnéticos e campos eletrostáticos [en]. Um invólucro condutor usado para bloquear campos eletrostáticos também é conhecido como uma Gaiola de Faraday. A quantidade de redução depende muito do material usado, de sua espessura, do tamanho do volume blindado e da frequência dos campos de interesse e do tamanho, forma e orientação dos orifícios em uma blindagem para um campo eletromagnético incidente.

Os materiais típicos usados para blindagem eletromagnética incluem filmes finos de metal, chapa metálica [en], tela de metal e espuma metálica [en]. Metais de chapa comuns para blindagem incluem cobre, latão, níquel, prata, aço e estanho. A eficácia da blindagem, ou seja, quão bem uma blindagem reflete ou absorve/suprime a radiação eletromagnética, é afetada pelas propriedades físicas do metal. Estas podem incluir condutividade, soldabilidade, permeabilidade, espessura e peso. As propriedades de um metal são uma consideração importante na seleção do material. Por exemplo, ondas eletricamente dominantes são refletidas por metais altamente condutores como cobre, prata e latão, enquanto ondas magneticamente dominantes são absorvidas/suprimidas por um metal menos condutor, como aço ou aço inoxidável.^[3] Além disso, quaisquer orifícios na blindagem ou malha devem ser significativamente menores do que o comprimento de onda da radiação que está sendo evitada, ou o invólucro não se aproximará efetivamente de uma superfície condutora ininterrupta.

Outro método de blindagem comumente usado, especialmente com produtos eletrônicos alojados em invólucros plásticos, é revestir o interior do invólucro com uma tinta metálica ou material semelhante. A tinta consiste em um material transportador carregado com um metal adequado, tipicamente cobre ou níquel, na forma de partículas muito pequenas. É pulverizada no invólucro e, uma vez seca, produz uma camada condutora contínua de metal, que pode ser conectada eletricamente ao terra do chassi [en] do equipamento, proporcionando assim uma blindagem eficaz.

A blindagem eletromagnética é o processo de diminuir o campo eletromagnético em uma área, barricando-a com material condutor ou magnético. O cobre é usado para blindagem de radiofrequência (RF) porque absorve ondas de rádio e outras ondas eletromagnéticas. Invólucros de blindagem de RF [en] devidamente projetados e construídos satisfazem a maioria das necessidades de blindagem de RF, desde salas de computadores e de comutação elétrica até instalações hospitalares de tomografia computadorizada (TC) e Imagem por ressonância magnética (IRM).^[4][5]

A blindagem EMI (interferência eletromagnética) é de grande interesse de pesquisa e vários novos tipos de nanocompósitos feitos de ferritas, polímeros e materiais 2D estão sendo desenvolvidos para obter materiais absorvedores de RF/micro-ondas (MAMs) mais eficientes.^[6] A blindagem EMI é frequentemente alcançada por deposição não eletrolítica [en] de cobre, já que a maioria dos plásticos populares não são condutores, ou por tinta condutiva especial.^[2]

Um exemplo é um cabo blindado, que possui blindagem eletromagnética na forma de uma malha de fio cercando um condutor de núcleo interno. A blindagem impede a fuga de qualquer sinal do condutor de núcleo e também impede que sinais sejam adicionados ao condutor de núcleo. Alguns cabos têm duas telas coaxiais separadas, uma conectada em ambas as extremidades e a outra em apenas uma extremidade, para maximizar a blindagem de campos eletromagnéticos e eletrostáticos.

A porta de um forno de micro-ondas tem uma tela embutida na janela. Da perspectiva das micro-ondas (com comprimentos de onda de 12 cm) esta tela completa uma Gaiola de Faraday formada pela carcaça metálica do forno. A luz visível, com comprimentos de onda variando entre 400 nm e 700 nm, passa facilmente pelos orifícios da tela.

A blindagem de RF também é usada para evitar o acesso a dados armazenados em chips RFID incorporados em vários dispositivos, como passaportes biométricos.^[7]

A OTAN especifica a blindagem eletromagnética para computadores e teclados para evitar o monitoramento passivo de emissões de teclado que permitiriam a captura de senhas; teclados de consumo não oferecem essa proteção, principalmente devido ao custo proibitivo.^[8]

A blindagem de RF também é usada para proteger equipamentos médicos e de laboratório para fornecer proteção contra sinais interferentes, incluindo AM, FM, TV, serviços de emergência, despacho, pagers, ESMR, celular e PCS. Também pode ser usada para proteger o equipamento em instalações de transmissão de AM, FM ou TV.

Outro exemplo do uso prático de blindagem eletromagnética seriam as aplicações de defesa. À medida que a tecnologia melhora, o mesmo acontece com a suscetibilidade a vários tipos de interferência eletromagnética nefasta. A ideia de encapsular um cabo dentro de uma barreira condutora aterrada pode fornecer mitigação desses riscos.

A radiação eletromagnética consiste em campos elétrico e magnético acoplados. O campo elétrico produz forças sobre os portadores de carga (ou seja, elétrons) dentro do condutor. Assim que um campo elétrico é aplicado à superfície de um condutor ideal, ele induz uma corrente que causa o deslocamento de carga dentro do condutor que cancela o campo aplicado no interior, ponto em que a corrente cessa.

Da mesma forma, campos magnéticos variáveis geram correntes parasitas que atuam para cancelar o campo magnético aplicado. (O condutor não responde a campos magnéticos estáticos, a menos que o condutor esteja se movendo em relação ao campo magnético.) O resultado é que a radiação eletromagnética é refletida da superfície do condutor: os campos internos permanecem dentro e os campos externos permanecem fora.

Vários fatores limitam a capacidade de blindagem de blindagens de RF reais. Um deles é que, devido à resistência elétrica do condutor, o campo excitado não cancela completamente o campo incidente. Além disso, a maioria dos condutores exibe uma resposta ferromagnética a campos magnéticos de baixa frequência,^{[carece de fontes?]} de modo que tais campos não são totalmente atenuados pelo condutor. Quaisquer orifícios na blindagem forçam a corrente a fluir ao redor deles, de modo que os campos que passam pelos orifícios não excitam campos eletromagnéticos opostos. Esses efeitos reduzem a capacidade de reflexão de campo da blindagem.

No caso de radiação eletromagnética de alta frequência, os ajustes acima mencionados levam um tempo não desprezível, mas qualquer energia de tal radiação, na medida em que não é refletida, é absorvida pela pele (a menos que seja extremamente fina), então, neste caso, também não há campo eletromagnético no interior. Este é um aspecto de um fenômeno maior chamado efeito pelicular. Uma medida da profundidade na qual a radiação pode penetrar na blindagem é a chamada profundidade de penetração [en].

O equipamento às vezes requer isolamento de campos magnéticos externos.^[9] Para campos magnéticos estáticos ou de variação lenta (abaixo de cerca de 100 kHz), a blindagem de Faraday descrita acima é ineficaz. Nesses casos, podem ser usadas blindagens feitas de ligas metálicas de alta permeabilidade magnética, como folhas de permalloy e mu-metal^[10][11] ou com revestimentos metálicos ferromagnéticos de nanoestrutura cristalina.^[12] Estes materiais não bloqueiam o campo magnético, como na blindagem elétrica, mas o atraem para si, fornecendo um caminho para as linhas de campo magnético [en] ao redor do volume blindado. A melhor forma para blindagens magnéticas é, portanto, um recipiente fechado que envolve o volume blindado. A eficácia deste tipo de blindagem depende da permeabilidade do material, que geralmente diminui tanto em intensidades de campo magnético muito baixas quanto em intensidades de campo altas, onde o material fica em saturação. Portanto, para atingir campos residuais baixos, as blindagens magnéticas geralmente consistem em vários invólucros, um dentro do outro, cada um dos quais reduz sucessivamente o campo dentro dele. Orifícios de entrada dentro das superfícies de blindagem podem degradar significativamente seu desempenho.

Devido às limitações acima da blindagem passiva, uma alternativa usada com campos estáticos ou de baixa frequência é a blindagem ativa, na qual um campo criado por eletroímãs cancela o campo ambiente dentro de um volume.^[13] Solenoides e {{ill|en|Bobina de Helmholtz|Helmholtz coil|bobinas de Helmholtz são tipos de bobinas que podem ser usadas para esse fim, bem como padrões de fio mais complexos projetados usando métodos adaptados daqueles usados no projeto de bobinas para imagem por ressonância magnética. Blindagens ativas também podem ser projetadas considerando o acoplamento eletromagnético com blindagens passivas,^{[14][15][16][17][18]} referidos como blindagem híbrida,^[19] de modo que haja blindagem de banda larga da blindagem passiva e cancelamento adicional de componentes específicos usando o sistema ativo.

Além disso, materiais supercondutores podem expelir campos magnéticos através do Efeito Meissner.

Suponha que tenhamos uma casca esférica de um material diamagnético (linear e isotrópico) com permeabilidade relativa ${\displaystyle \mu _{\text{r}}}$, com raio interno ${\displaystyle a}$ e raio externo ${\displaystyle b}$. Em seguida, colocamos este objeto em um campo magnético constante: $${\displaystyle \mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}}$$ Como não há correntes neste problema, exceto por possíveis correntes ligadas nas fronteiras do material diamagnético, podemos definir um potencial escalar magnético que satisfaz a equação de Laplace: $${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}}$$ onde $${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H} }$$ Neste problema em particular, há simetria azimutal, então podemos escrever que a solução para a equação de Laplace em coordenadas esféricas é: $${\displaystyle \Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )}$$ Depois de satisfazer as condições de fronteira $${\displaystyle {\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}}$$ nas fronteiras (onde ${\displaystyle {\hat {n}}}$ é um vetor unitário que é normal à superfície, apontando do lado 1 para o lado 2), descobrimos que o campo magnético dentro da cavidade na casca esférica é: $${\displaystyle \mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}}$$ onde ${\displaystyle \eta }$ é um coeficiente de atenuação [en] que depende da espessura do material diamagnético e da permeabilidade magnética do 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 descreve a eficácia deste material em blindar o campo magnético externo da cavidade que ele circunda. Observe que este coeficiente vai apropriadamente para 1 (sem blindagem) no limite em que ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to 1}$. No limite em que ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to \infty }$ este coeficiente vai para 0 (blindagem perfeita). Quando ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\gg 1}$, o coeficiente de atenuação assume a forma mais simples: $${\displaystyle \eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}}$$ o que mostra que o campo magnético diminui como ${\displaystyle \mu _{\text{r}}^{-1}}$.^[20]

• Blindagem de campo elétrico [en]
• Blindagem de RF para IRM [en]
• Câmara anecoica
• Gaiola de Faraday
• Interferência eletromagnética
• Janela de plasma [en]
• Mu-metal
• Permalloy
• Proteção contra radiação ionizante [en]
• Radiação
• Radiação eletromagnética e saúde [en]