يُعدّ قفص فاراداي ، الذي اكتشفه مايكل فاراداي عام 1836، اختراعًا هامًا يحجب الموجات الكهرومغناطيسية الواردة. نُصادف العديد من تطبيقات قفص فاراداي في حياتنا اليومية دون أن نُدرك ذلك. وبفضل هذه الأنظمة، نحن محميون من الآثار الضارة للموجات الكهرومغناطيسية. وهي فعّالة بشكل خاص في حماية مبانينا وأجهزتنا الإلكترونية من التفريغات الكهربائية الطبيعية كالبرق. تُعتبر هذه التقنية من أهمّ العوامل الخفية في حياتنا المعاصرة.

ما هو قفص فاراداي؟

قفص فاراداي ، وهو نظام شبكي مغلق مصنوع من مادة موصلة، يقوم على مبدأ توزيع الشحنات الكهربائية على السطح فقط. نشأ هذا المبدأ الفيزيائي من تجارب العالم البريطاني مايكل فاراداي على الكهرباء والمغناطيسية. عند النظر في الغرض من قفص فاراداي ، فإن وظيفته الأساسية هي منع المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية من اختراقه أو منع الموجات الكهرومغناطيسية من التسرب منه. تحمي هذه الشبكة الموصلة الحيز الداخلي عن طريق تدوير التيار الكهربائي عبر سطحها، وبذلك تعزل الداخل عن الآثار الضارة للمجالات الكهربائية القوية.

كيف يعمل قفص فاراداي؟

يعتمد مبدأ عمل القفص على ظاهرة فيزيائية تُعرف بالحث الكهروستاتيكي. يتسبب مجال كهربائي خارجي في إزاحة الإلكترونات الحرة الموجودة على القفص، فتتوزع هذه الإلكترونات على سطحه. يُنشئ هذا التوزيع مجالًا كهربائيًا معاكسًا يُوازن تمامًا المجال الكهربائي الخارجي. ونتيجةً لذلك، يصبح صافي المجال الكهربائي داخل القفص مساويًا للصفر، مما يحمي الأجسام الموجودة بداخله تمامًا. لذا، عند حدوث صاعقة ، يبقى التيار الكهربائي على السطح الخارجي لقفص فاراداي، فلا يتعرض الأشخاص أو الأجهزة الإلكترونية الموجودة بداخله لأي ضرر.

يختلف تصميم قفص فاراداي باختلاف الغرض من استخدامه. يتكون أساسًا من شبكة من مواد موصلة مترابطة، مثل النحاس أو الألومنيوم أو الفولاذ. وتعتمد فعالية القفص على موصلية المادة المستخدمة، وحجم مسام شبكة القفص، وتردد الموجات الكهرومغناطيسية المراد حمايتها. مع ذلك، من المهم أن يكون حجم المسام أصغر من طول موجة الموجة الكهرومغناطيسية المراد حمايتها. وبهذه الطريقة، يمكن حجب حتى الموجات عالية التردد بنجاح بواسطة قفص فاراداي . وبفضل هذه الخصائص، أصبح جزءًا لا غنى عنه في أنظمة حماية المباني من التفريغات الكهربائية عالية الجهد، كالصواعق.

دور أقفاص فاراداي في أنظمة الحماية من الصواعق

في عالم الحماية من الصواعق ، يبرز قفص فاراداي كواحد من أكثر الأنظمة موثوقية. وتتمثل وظيفته الأساسية في حماية الكائنات الحية والممتلكات من الآثار الضارة للصواعق. في الواقع، لا يتضمن معيار IEC 62305 الحالي مفهوم "قفص فاراداي" بشكل مباشر. في تركيا، يُستخدم هذا المصطلح لوصف مانعات الصواعق السلبية، وأنظمة الشبكة التي تستخدم موصلات مكشوفة، والأنظمة التي تتكون من موصلات هابطة مكشوفة للصواعق تنزل من سطح المبنى.

يوفر هذا النظام حمايةً تتألف من موصلات مضفرة تغطي سقف وجدران المبنى. ويتكون من أطراف توصيل، وموصلات سقفية، وموصلات سفلية، ومكونات تأريض. ويُعتبر هذا النظام الأكثر فعالية بين أنظمة الحماية من الصواعق، وهو الخيار الأمثل، لا سيما في مراكز البيانات، وغرف الخوادم، والمختبرات، والمنشآت التي تحتوي على مواد قابلة للاشتعال والانفجار.

تُصمَّم أقفاص فاراداي ، المُطبَّقة وفقًا لمعيار TSE EN 62305، بمعايير مختلفة تبعًا لمستويات الحماية التي توفرها. وتختلف المسافة بين الأقفاص تبعًا لمستويات الحماية كما يلي:

مستويات الحماية (وفقًا لمعامل E وفقًا لمعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية/المواصفات الفنية):

• E > 0.98 → المستوى 1
• 0.95 < E ≤ 0.98 → المستوى 2
• 0.90 < E ≤ 0.95 → المستوى 3
• 0.80 < E ≤ 0.90 → المستوى 4
• بمجرد تحديد هذه المستويات وتصميم المشروع وفقًا لذلك، يتم تنفيذ قفص فاراداي بطريقة تتوافق مع هذه المعايير.

تباعد الأقفاص وفقًا لمستويات الحماية

• 5x5 متر للمستوى 1.
• 10x10 متر للمستوى الثاني.
• 15x15 متر للمستوى الثالث.
• 20x20 متر للمستوى الرابع.

وبناءً على ذلك، تتراوح المسافة بين الموصلات الهابطة بين 10 و 20 مترًا حسب مستوى الحماية.

يعتمد تصميم قفص فاراداي على البنية المعمارية للمبنى واحتياجاته من الحماية. في البداية، تُعقد مشاورات مع مالك المبنى والمهندس المعماري والمقاولين ومقاولي الكهرباء لإعداد الرسومات التصميمية. من مزايا هذا النظام التخفيض الكبير للمجال الكهرومغناطيسي داخل المنطقة المحمية، وإعادة توجيه تيارات البرق بأمان عن طريق فصلها إلى عدة موصلات. كما يُسهم في إنشاء رابطة متساوية الجهد بين الهياكل الموصلة والأرض.

تطبيقات وبناء أقفاص فاراداي

نصادف تطبيقات قفص فاراداي بكثرة في حياتنا اليومية، لكننا غالباً لا ندركها. أفران الميكروويف، والسيارات، والطائرات، وحتى أغلفة الهواتف المحمولة الخاصة، كلها تطبيقات تعمل وفق هذا المبدأ. ورغم اختلاف استخدامات قفص فاراداي باختلاف التطبيقات، إلا أن الغرض الأساسي منه يبقى التحكم في الموجات الكهرومغناطيسية.

صُممت غرف التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات وفقًا لمبدأ قفص فاراداي لمنع دخول الموجات الكهرومغناطيسية الخارجية، مما يحول دون حدوث تداخل منها أثناء التصوير. ويُستخدم هذا النظام أيضًا لمنع التداخل الكهرومغناطيسي في الأماكن التي تحتوي على معدات إلكترونية حساسة، مثل مراكز البيانات والمنشآت العسكرية والمختبرات. حتى أن بعض الأماكن العامة تُحاط بأقفاص فاراداي للحد من استخدام التكنولوجيا.

في أنظمة قفص فاراداي المستخدمة للحماية من الصواعق في المباني، يُنسج السطح الخارجي للهيكل بأسلاك موصلة بنمط شبكي. جميع الموصلات والأطراف المعدنية المدببة (أطراف التقاط الصواعق) متصلة ببعضها البعض ومؤرضة.

ختامًا، تُعدّ أنظمة قفص فاراداي ضرورية للحماية من الصواعق. واليوم، مع التطورات التكنولوجية، أصبحت هذه الأنظمة أكثر تطورًا وتنوعًا. وفي المستقبل، مع ازدياد التلوث الكهرومغناطيسي، ستزداد أهمية هذه التقنية. لذا، يُعدّ فهم مبادئ هذا النظام وتطبيقها بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية لحماية أجهزتنا ومنشآتنا الإلكترونية.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

ما هو دور قفص فاراداي في الحماية من الصواعق؟

إنها طريقة فعالة لحماية المباني من الصواعق. فمن خلال احتواء تيار الصاعقة على السطح الخارجي للمبنى، تحافظ على سلامة الأفراد والأجهزة الإلكترونية.

هل يحمي قفص فاراداي من المجالات المغناطيسية؟

نعم، فهو يوفر الحماية ضد المجالات الكهرومغناطيسية الثابتة والمتغيرة. وتتيح هذه الميزة حماية الأجهزة الإلكترونية الحساسة وأجهزة القياس من التأثيرات الخارجية.

ما هي المعدات المستخدمة في الحماية من الصواعق باستخدام قفص فاراداي؟

1. موصلات غلاف السقف

• يتم تشكيله باستخدام النحاس، أو موصلات CCA، أو الألومنيوم، أو موصلات الفولاذ المجلفن .
• تُستخدم موصلات نحاسية أو فولاذية مجلفنة في التربة والخرسانة المحيطة بالمبنى.

2. الأطراف النشطة والسلبية

• يقوم الجهاز أولاً بالتقاط البرق، ثم ينقله إلى الأرض عبر مسارات موصلة.
• يعتبر النحاس والألومنيوم والفولاذ المجلفن والفولاذ المقاوم للصدأ من المواد المفضلة في تصنيع رؤوس التقاط الكرة السلبية.

3. الموصلات في اتجاه المصب

• هذه موصلات تنقل تيار البرق من مانعة الصواعق أو الشبكة الموصلة للسقف إلى نظام التأريض.
• تُستخدم الموصلات أحادية النحاس والفولاذ المجلفن والألومنيوم بشكل شائع.
• وفقًا لتصميم المشروع، يمكن استخدام قضبان التسليح الفولاذية المدمجة في الخرسانة كموصلات هبوطية.

4. أقطاب التأريض

• فهو يضمن تدفق تيار البرق بأمان إلى الأرض.
• يمكن أن يكون من نوع القضيب أو الصفيحة أو الحلقة.
• وهو مصنوع من الفولاذ المجلفن أو النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ.
• استخدام موصلات الألومنيوم كأقطاب تأريض أو موصلات غير مناسب.