Nykypäivänä alkaa olemaan sähkömagneettista säteilyä vähän joka paikassa ja tämä tarjoaa potentiaalisen ongelman monelle arkiselle asialle. Tämä ongelma on kuitenkin monesti estettävissä Faradayn häkillä, mutta mikä se oikeastaan on ja miten se toimii?

Historiaa

Michael Faraday sai nimensä tälle keksinnölle vuoden 1836 kokeiluillaan, jonka toimintaperiaatteen kuitenkin jo ennen häntä vuonna 1755 Benjamin Franklin havainnoitsi. Faraday lähinnä jatkokehitti kokeiluita toimintaperiaatteen osalta ja selvensi toimivuutta sekä siihen vaikuttavia asioita kokeillaan.

Mistä siis on kyse?

Käytännössä kaikesta sähkömagneettisesti toimivasta laitteesta tulee säteilyä, joka on monesti täysin turvallista, mutta häiritsee laitteiden toimivuutta. Faradayn häkillä saadaan suojattua sekä laitteen ulkopuolelta tulevaa säteilyä pääsemästä laitteen sisälle (esimerkiksi television metalliritilä virittimen ympärillä) kuin myös säteilyä poistumasta laitteesta (mikroaaltouunin sisällä oleva ritilä).

Esimerkiksi television virittimelle olisi haitaksi jos siihen pääsisi laitteen ulkopuolinen säteily sisään, tämä heikentäisi antennijohdon kautta tulevan signaalin toimivuutta ja täten aiheuttaisi pikselöintiä ja muuta vääristymää kuvasignaaliin. Tämän vuoksi virittimen ympärille laitetaankin suojaksi metallinen kehikko, joka estää ulkopuolista säteilyä vaikuttamasta virittimen toimintaan. Samaan tapaan myös antennikaapelissa löytyy uloimman suojakerroksen alta metallinen osuus, jonka tehtävänä on käytännössä vain estää kaapelin ulkopuolisen signaalin aiheuttamat häiriöt signaalin kuljetukselle.
(Kiitos lukijan huomion, yliviivasin "vain" sanan edeltävästä lauseesta. Kaapelin uloimmalla metallilla on muutakin tehtävää kuin vain eristeenä toimiminen. Tämän siitä saa kun yömyöhällä kirjoittelee ajatuksenjuoksulla)

Mikroaaltouunin säteily taas on ihmiselle ja muille elollisille vaarallista. Tästä johtuen mikroissa on säteilyn pakenemisen estävä ritilä suojaamassa. Mikroaalto on aallonpituudeltaan 12cm, eli se ei mahdu ritilästä kulkemaan läpi, siinä missä taas valo pääsee reikien kautta kulkemaan huoletta (näkyvä valo liikennöi suurinpiirtein 400-700 nanometrisillä aallonpituuksilla).

Miten Faradayn häkki siis tarkemmin ottaen toimii?

Pelkästään eristävä metallinen seinämä, joka on irti suojattavasta kohteesta, on itsessään Faradayn häkin toimintaperiaatteen edustaja. Esimerkiksi kuparista tehty eristävä pussi tarjoaa herkästi -40dB signaalin heikennyksen puhelimelle ellei enemmänkin, laadukkaammat puhelimen eristäjät lupaavat jopa -160dB eristystä mikä tarkoittaa, ettei puhelinta pysty käyttämään lainkaan (eikä täten myöskään etänä paikantamaan tai lukemaan).

Tarvittaessa Faradayn häkin voi tehdä kotitekoisesti esimerkiksi päällystämällä pahvilaatikon alumiinifoliolla. Tällöin pahvilaatikon sisäpinta jätetään entiselleen ja ulkokuori päälystetään kauttaaltaan foliolla. Tämän toimivuutta voit helposti testata esimerkiksi kännykällä tai matkaradiolla. Mikäli puhelimeen ei saa yhteyttä kun laatikko on suljettu tai mikäli radio lakkaa toimimasta ja vain kohisee, on suoja tiivis eikä signaalit kulje sen läpi.

Myös esimerkiksi lintuhäkki voi toimia Faradayn häkkinä. Tällöin edellytyksenä kuitenkin on, että pohja on metallia ja että suojattava laite on eristetty esimerkiksi kumimatolla häkin metallirakenteesta. Mikäli häkki ei kuitenkaan suojaa suunnitellusti, on häkin raot todennäköisesti turhan isoja eli signaali mahtuu kulkemaan reikien kautta.

Eli esimerkkien kautta selvennettynä, Faradayn häkin toiminta perustuu siihen, että kohteesta irrallaan oleva ympäröivä metalli (tai muu sähköä johtava materiaali) estää sähkömagneettisen säteilyn kulkemisen häkin läpi. Mikäli häkki on tehty ritilästä tai vastaavasta, on reikien oltava pienempiä kuin estettävän signaalin aallonpituus, kiinteällä pinnalla toimivuus on täten laajempialaista ja taatumpaa.

Missä voit törmätä tahtomattasi Faradayn häkkiin (tai vastaavaan ilmiöön)?

Tyypillisin esimerkki on juna. Juna on metallivaippainen putki, joka rakenteensa puolesta eristää ulkopuoliset signaalit hyvinkin tehokkaasti. Signaali pääsee käytännössä vain ikkunoiden ja muiden vastaavien aukkojen kautta kulkemaan junan sisätiloihin, tämä aiheuttaa monien junissa tuskittelemat ongelmat huonojen kännykkätoimivuuksien suhteen. Toki toimivuuteen vaikuttaa myös nopeasti tapahtuvat hand-overit (eli tukiasemien vaihdot asemasta toiseen) sekä monesti kohtalaisen katveinen maaseutu jossa radat kulkevat. Nykyisin junissa onkin monesti signaalin toistimia sekä Wi-Fi tarjolla tästä johtuen.

Myös monet talot voivat tarkoituksella tai tahattomasti muodostaa Faradayn häkin. Esimerkiksi bändini treenikämppä on metallikattoisessa ja -seinäisessä hallissa, tästä johtuen kännykän toimivuus on sisätiloissa hyvinkin onnetonta. Kuuluvuutta kyllä löytyy, mutta nopeus selkeästi paranee heti kun astun treenikämpän ovesta pihalle seisomaan. Sama ilmiö toistuu monissa energiatehokkaissa rakennuksissa. Yksi tehokkaimpia esteitä muodostuukin mikäli seinät on esimerkiksi teräsbetonia (teräskehikko jonka päälle valetaan betoni) ja ikkunat ovat selektiivilaseja (metallioksidikerroksella päällystetty lasi), tähän vielä peltikatto ja talon sisälle ei tahdo enää päästä mikään signaali ilmateitse kulkemaan.

Käytännön teoriaa (lisää)

Mihin voisit siis itse haluta tehdä Faradayn häkin käyttöösi? Jos nyt jätetään mahdollinen elektronisen sodankäynnin mahdollisuus ja sen myötä tapahtuvat EMP-iskut (ElektroMagneettinen Pulssi) pois laskuista, on käyttötarkoituksia ihan arkisempiakin.

Esimerkiksi mobiilireititin, jossa ei ole ohjelmallista mahdollisuutta toimintataajuuden lukitsemiseen, voisi hyötyä häkistä. Oletettavassa tilanteessa alueella palvelee sekä 800MHz että 1800MHz taajudella LTE-verkko, joista 800MHz on päässyt ruuhkautumaan eikä nopeudet siinä paljoa päätä huimaa. Mikäli eristäisit reitittimen sopivalla silmäkoolla tehdyn häkin sisälle, saisit estettyä 800MHz taajuuden sisäänpääsyn ja vain 1800MHz taajuus mahtuisi liikennöimään häkin sisällä olevalle reitittimelle. 800MHz taajuudella aallonpituus on 37,5cm ja 1800MHz taajuudella aallonpituus on 16,7cm, eli jos häkkisi olisi vaikka 25cm rei'illä tehty, ei tuo ruuhkainen taajuus pääsisi reitittimelle ja vain tuo 1800MHz mahtuisi siis aukosta kulkemaan. Tämä on tällä hetkellä puhtaasti karkeaa teorisointia asian tiimoilta, eli teoriatasolla tämä voisi ihan näinkin toimia, mutta todennäköisesti tuossa tarvitsisi vähän vielä tarkemmin tutkia asiaa ennen kuin lähtee tekemään sen tarkempia johtopäätöksiä. Kirjoitimpahan vain ylös mikä tuli asiaa tässä tutkiessa mieleen :D

 

Yömyöhällä fysiikan teorioita lukemassa,

Elektronikkari