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作られた障壁を用いて、空間内の電磁場（EMF）を低減または方向転換する手法です。これは通常、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、配線をケーブルが通る環境から隔離したりします（）。無線周波数（RF）の電磁放射を遮断する電磁シールドは、 RFシールドとも呼ばれます。

住宅の寝室での実際の現場測定では、通常、消費者向けEMFメーターを使用して局所的な曝露レベルを決定します。^{[ 1 ]}

EMFシールドは電磁干渉を最小限に抑える役割を果たします。シールドは、電波、電磁場、静電場の結合を低減します。静電場を遮断するために使用される導電性筐体は、ファラデーケージとも呼ばれます。低減量は、使用される材料、その厚さ、シールドされた空間のサイズ、対象となる電磁場の周波数、そして入射電磁場に対するシールドの穴のサイズ、形状、および向きによって大きく異なります。

使用材料

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。シールドによく使用される金属板には、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反射または吸収/抑制する程度は、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。^{[ 3 ]}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なければなりません。そうしないと、筐体は効果的に途切れのない導電面に近似しません。

もう一つの一般的なシールド方法は、特にプラスチック製の筐体に収納された電子機器の場合、筐体の内側を金属インクなどの材料でコーティングすることです。このインクは、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導電層が形成されます。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、効果的なシールド効果が得られます。

電磁シールドとは、導電性または磁性材料で遮蔽することで、ある領域内の電磁場を低減するプロセスです。銅は無線周波数（RF）シールドに使用されます。これは、銅が無線やその他の電磁波を吸収するからです。適切に設計・構築されたRFシールド筐体は、コンピューターや電気系統の切り替え室から病院の CTスキャンやMRI施設に至るまで、ほとんどのRFシールドニーズを満たします。 ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

EMI（電磁干渉）シールドは大きな研究対象となっており、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材料から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。^{[ 6 ]} EMIシールドは、一般的なプラスチックのほとんどが非導電性であるため、銅の無電解メッキや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。^{[ 2 ]}

アプリケーションの例

一例として、シールドケーブルが挙げられます。これは、内部の芯線導体を金網で囲むことで電磁シールドを実現しています。このシールドは、芯線導体からの信号の漏洩を防ぎ、芯線導体への信号の重畳も防ぎます。一部のケーブルには、2つの独立した同軸シールドを備え、1つは両端に接続され、もう1つは片端のみに接続されています。これにより、電磁界と静電界の両方のシールド効果を最大限に高めています。

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12cm）から見ると、このスクリーンは電子レンジの金属製ハウジングによって形成されるファラデーケージを形成します。400nmから700nmの波長の可視光は、スクリーンの穴を容易に通過します。

RFシールドは、生体認証パスポートなど、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。^[⁷^]

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規定しています。消費者向けキーボードでは、主にコストが高すぎるため、この保護機能は提供されていません。^{[ 8 ]}

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化のもう一つの例は防衛分野です。技術の進歩に伴い、様々な種類の有害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で覆うことで、これらのリスクを軽減することができます。

仕組み

電磁放射は、電界と磁界が結合した構造をしています。電界は導体内の電荷キャリア（電子）に力を発生させます。理想的な導体の表面に電界が印加されると、導体内部の電荷が移動し、内部に印加された電界を打ち消す電流が誘起されます。この電流が流れなくなると、導体内部の電荷は移動し、導体内部の電界は打ち消されます。

同様に、変化する磁場は渦電流を発生させ、印加された磁場を打ち消すように作用します。（導体は、磁場に対して相対的に動いていない限り、静磁場には反応しません。）その結果、電磁波は導体の表面で反射され、内部磁場は導体内部に留まり、外部磁場は導体外部に留まります。

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。一つは、導体の電気抵抗により、励起された磁場が入射磁場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磁場に対して強磁性応答を示すため、導体によって磁場が完全に減衰されることはありません。シールドに穴があると、電流がその周囲に流れるため、穴を通過する磁場は反対方向の電磁場を励起しません。これらの影響により、シールドの磁場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、反射されない限り、そのような放射エネルギーは皮膚に吸収されます（皮膚が非常に薄い場合を除く）。そのため、この場合、皮膚内にも電磁場は存在しません。これは表皮効果と呼ばれるより大きな現象の一側面です。放射線がシールドを透過できる深さの尺度は、いわゆる表皮深度です。

磁気シールド

機器によっては、外部磁場からの隔離が必要な場合があります。^{[ 9 ]} 静的またはゆっくり変化する磁場（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。このような場合には、パーマロイやミューメタルのシート^[¹⁰^]^[¹¹^]などの高透磁率金属合金製のシールド、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。^[¹²^] これらの材料は、電気シールドのように磁場を遮断するのではなく、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密閉容器です。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、低い残留磁場を実現するために、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、各筐体が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著しく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、静電気や低周波の場で使用される代替手段はアクティブシールドであり、電磁石によって生成された場が体積内の周囲の場を打ち消す。^{[ 13 ]}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コイルの種類であり、磁気共鳴画像法のコイル設計で使用される方法を適応させたより複雑な配線パターンも使用できる。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可能であり^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}これはハイブリッドシールドと呼ばれ、^{[ 19 ]}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る。

さらに、超伝導材料はマイスナー効果によって磁場を放出することができます。

数学モデル

相対透磁率、内半径、外半径を持つ(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。この問題では、反磁性体の境界上の束縛電流以外には電流が存在しないため、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 (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、この材料が取り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、の極限では1（遮蔽なし）に収束する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）に収束します。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。^[²⁰^] $\mu_{\text{r}}$ $a$ $b$ $\mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}$ ${\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}$ $\mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H}$ $\Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )$ ${\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}$ ${\hat {n}}$ $\mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}$ $\eta$ $\eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}$ $\mu _{\text{r}}\to 1$ $\mu _{\text{r}}\to \infty$ $\mu _{\text{r}}\gg 1$ $\eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}$ $\mu _{\text{r}}^{-1}$