Sangkar Faraday

Sangkar Faraday atau tameng Faraday adalah sebuah ruang tertutup yang terbuat dari bahan-bahan penghantar listrik. Ruangan itu mampu merintangi medan listrik statik eksternal.

Pintu masuk ke sebuah ruang Faraday

Medan listrik statik eksternal akan menyebabkan muatan listrik di dalam bahan yang konduktif untuk menyalurkan kembali diri mereka sendiri. Hal ini kemudian membatalkan efek medan listrik statik di bagian dalam sangkar. Efek ini bisa digunakan untuk melindungi peralatan elektronik dari sambaran petir dan lucutan/pengosongan (Bahasa Inggris: discharge) elektrostatis yang lain.

Pada tingkatan yang lebih luas, sangkar Faraday juga melindungi bagian interior dari radiasi elektromagnetik jika konduktor tidak cukup tebal dan lubang apapun jauh lebih kecil dari panjang gelombangnya radiasi. Sebagai contoh, prosedur tes komputer forensik komponen maupun sistem elektronik yang membutuhkan lingkungan tanpa gangguan elektromagnetik dapat dilakukan di dalam sebuah ruang cadar (Bahasa Inggris: screen room). Pada dasarnya ruang cadar adalah labolatorium atau wilayah kerja yang benar-benar tertutup oleh satu atau lebih dari satu lapisan jaringan logam halus atau pelat logam terperforasi. Lapisan logam dihubungkan ke permukaan bumi untuk menghilangkan arus listrik yang timbul dari medan elektromagnetik eksternal, dan dengan begitu merintangi gangguan elektromagnetik dalam jumlah besar. Aplikasi sangkar Faraday ini dijelaskan dalam penamengan elektromagnetik.

Sejarah

Tahun 1836, Michael Faraday mendapati bahwa muatan di sebuah konduktor bemuatan hanya berada di bagian luarnya dan tidak memengaruhi apapun yang berada di dalam konduktor tersebut. Untuk mendemonstrasikan fakta ini, dia membuat sebuah ruangan yang dilapisi dengan lembaran tipis dari logam dan mengatur agar lucutan bervoltase tinggi dari sebuah generator/pembangkit elektrostatis menyambar apapun yang berada di luar ruangan. Dengan menggunakan sebuah elektrometer, Faraday membuktikan tidak adanya muatan listrik di bagian dalamnya tembok ruangan itu.

Sebelumnya efek yang sama telah diprediksi oleh Francesco Beccaria (1716-1781) di Universitas Torino, seorang murid dari Benjamin Franklin, yang menyatakan bahwa ‘’Semua listrik pergi ke permukaan bebasnya benda dan tidak tersebar ke substansi interiornya.” Kemudian, fisikawan dari Belgia bernama Louis Melsens (1814-1886) mengaplikasikan prinsip konduktor bercahaya. Konsep ini diteliti pula oleh Gauss (Permukaan Gauss).

Cara kerja sangkar Faraday

Medan listrik eksternal menyebabkan muatan tersusun kembali sehingga menghapus medan di dalamnya.

Sangkar Faraday dipahami sangat baik sebagai sebuah pendekatan ke konduktor berongga yang ideal. Medan listrik yang diaplikasikan secara eksternal menghasilkan gaya pada berbagai pembawa muatan (biasanya elektron) di dalam konduktor, menimbulkan arus listrik yang menyusun kembali muatan. Begitu muatan telah tersusun kembali, maka medan terapan di bagian dalam akan terhapus.

Jika muatan ditempatkan di dalam sebuah sangkar Faraday yang tidak dihubungkan ke tanah, maka permukaan bagian dalam sangkar akan bermuatan (caranya sama seperti muatan eksternal yang sudah dijelaskan sebelumnya) untuk mencegah eksistensi medan di bagian dalam tubuh sangkar. Namun, pemuatan permukaan bagian dalam ini akan mendistribusikan lagi muatan di dalam tubuh sangkar. Hal ini mengisi permukaan luar sangkar dengan muatan yang besarnya sama dengan permukaan bagian dalamnya sangkar. Begitu muatan internal dan permukaan bagian dalam saling menghapuskan, penyebaran muatan di permukaan luar tidak dipengaruhi oleh posisi muatan internal di dalam sangkar. Jadi sangkar akan menimbulkan medan listrik yang sama, hanya dengan diisi oleh muatan yang berada di bagian dalam.

Jika sangkar dihubungkan ke tanah maka kelebihan muatan akan pergi ke tanah, bukannya pergi ke permukaan luar. Jadi permukaan bagian dalam serta muatan internal akan saling menghapuskan dan bagian sangkar yang lain akan tetap netral.

Sangkar akan menghalangi medan listrik eksternal biarpun bagian dalamnya mengandung beberapa muatan dan sebuah medan listrik. Inilah sebuah konsekwensi dari asas superposisi dan fakta bahwa persamaan Maxwell adalah linear.

Sebuah sangkar Faraday takkan melindungi muatannya dari medan magnet statis. Namun, medan magnet yang berubah sangat cepat menciptakan medan listrik sesuai dengan persamaan Maxwell. Konduktor menghapuskan medan listrik dan dengan begitu menghilangkan pula medan magnet. Ketebalan dan tebal kulit material tembok mengatur frekuensi dimana sangkar menekan medan elektromagnet. Medan magnet yang statis atau berubah perlahan-lahan mampu menembus sangkar; berlawanan dengan medan magnet yang berubah dengan cepat.

Sangkar Faraday di dunia nyata

• Scanner MRI biasanya diletakkan di dalam sangkar Faraday.
• Telepon genggam dan radio tidak menerima sinyal saat berada di dalam elevator maupun di berbagai struktur yang sama. Sejumlah bahan arsitektur tradisional bertindak sebagai perisai Faraday dalam praktiknya. Ini termasuk plester berbilah logam dan beton yang diperkokoh dengan batang penguat (Bahasa Inggris: rebar). Bahan-bahan tersebut memengaruhi penggunaan telepon dan jaringan nirkabel di dalam bangunan serta rumah.
• Komponen elektronik yang bisa rusak akibat muatan statis, seperti sirkuit terpadu dan kartu ekspansi, dikirimkan dalam sangkar Faraday yang terdiri dari tas-tas spesial yang terbuat dari plastik bersifat konduktif, yang disebut kantong antistatis.
• Kabel koaksial, yang kenyataannya merupakan kabel data yang terbungkus oleh konduktor yang fleksibel, bisa berfungsi sebagai sebuah sangkar Faraday.
• Agar murid-muridnya tidak mencontek (melalui pesan teks dengan menggunakan ponsel) di dalam ujian, seorang guru di Inggris melapisi setiap ruang ujian dengan sangkar Faraday.
• Mobil dan pesawat berfungsi sebagai sangkar Faraday saat disambar petir. Kulit bagian luar dan kerangka dari logamnya kendaraan membuat muatan listrik mengalir menjauhi para penumpang. Hal ini berbeda dari klaim yang menyatakan ban-ban sebuah mobil menyebabkan sambaran petir mencapai tanah. Namun, sinyal radio dan ponsel masih bisa mencapai bagian dalam kendaraan sebab panjang gelombang keduanya jauh lebih kecil dari jendela mobil dan bukaan lainnya dalam kerangka konduktifnya kendaraan.
• Acara MythBuster di Discovery Channel pernah menggunakan sangkar Faraday yang terbuat dari jaring kuningan (Bahasa Inggris: brass mesh) untuk menghilangkan sinyal radio yang telah mengganggu konsistensi sebuah eksperimen.
• Dalam sejumlah lingkungan ilmiah seperti National Radio Astronomy Observatory di Greenbank, West Virginia, sangkar Faraday digunakan untuk menutupi ruang peralatan komputer. Sangkar menghalangi gelombang elektromagnetik yang bisa mengacaukan data dan merusak teleskop radio. Berbagai eksperimen bertegangan tinggi yang berdenyut menggunakan pula sangkar Faraday untuk melindungi peralatan elektronik yang sensitif dari pulsa elektromagnetiknya eksperimen. Dalam konteks ini, sangkar sering pula dijuluki “ruang cadar”.
• Sangkar Faraday juga telah dipasangkan di dalam pakaian khusus yang membolehkan para pekerja yang menangani tegangan tinggi langsung duduk di saluran listrik. Hal ini telah berhasil di lakukan oleh kru PDKB PT. PLN (Persero)
• Sinyal Wi-Fi sering kali terhalang di dalam bangunan yang memiliki metal siding.
• Saluran logam internal di kebanyakan barang elektronik konsumen, serta casing dari logam di sebagian besar komputer pribadi, bertindak sebagai sebuah sangkar Faraday untuk mengurangi gangguan ke dan dari peranti lainnya.
• Rumah ber-siding dari aluminium memiliki sebagian besar karakteristik fisik sebuah sangkar Faraday, kecuali jendela dan lantai. Struktur bertipe ini terkenal menghalangi Radio Cuaca NOAA dari menerima sinyal yang akurat, khususnya jika penerima tidak ditempatkan dengan benar di dalam rumah.

Efektivitas sangkar atau perisai Faraday tergantung pada panjang gelombang medan listrik atau elektromagnetik yang ingin dihalangi. Tingkat kualitas sangkar juga tergantung pada tipe maupun ketebalan logam yang digunakan di dalam sangkar

Pranala luar

• Faraday Cage Protects from 100,000 V:: Physikshow Uni Bonn
• Physics lecture on Faraday cages Diarsipkan 2015-08-24 di Wayback Machine. from Michigan State University
• Pepro LLC Faraday Cage used in communications shelters
• Kilang Pertamina Dilindungi Sangkar Faraday Diarsipkan 2008-02-16 di Wayback Machine.