ファラデーケージの物理学

世界はWi-Fi、Bluetooth、5G、そしてラジオ波など、通信に電磁波を利用しています。しかし、あるデバイスが他のデバイスと通信したり干渉したりするのを防ぎたいとします。電磁波を遮断することはできませんが、デバイスを導電性の素材で囲むことで電磁波を打ち消すことができます。これをファラデーケージと呼び、その仕組みを説明します。

電磁波とは何ですか?

電荷（陽子など）は、その周囲に電場を作り出します。この電場は正電荷とは反対の方向を向いており、電荷から遠ざかるにつれて強度が弱まります。以下は電場を視覚化したもので、正電荷（赤い球）と、電場を表す様々な位置の矢印が表示されています。

しかし、実は電場を作る別の方法があります。それは磁場を使うことです。ご想像の通り、磁石は磁場を作ります。この磁石を動かすと磁場が変化し、その変化によって電場が発生します。

不思議に思われるかもしれませんが、電場の変化は磁場も生み出すのです。つまり、変化する電場が変化する磁場を生み出し、さらにそれがまた別の電場を生み出すという状況が起こり得るのです。これは、電場と磁場の関係を示すマクスウェル方程式の重要な概念の一つです。19世紀に物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって発表されたこの4つの方程式は、電磁波の数学的可能性を示しています。（彼は有名な思考実験「マクスウェルの悪魔」の考案者でもあります。）

波の中の電場と磁場を観察すると、次のようになるでしょう。

この電磁波の波長が非常に長い場合（10メートル以上）、電波と呼ばれます。波長が1ミリメートルから1メートル程度の短いものはマイクロ波と呼ばれます。人間の目は、400ナノメートルから700ナノメートルの範囲のより短い波長、つまり可視光線を感知できます。これらの電磁波は、電磁スペクトルに分類されます。

もう1つ重要な概念があります。それは重ね合わせの原理です。これは、複数の電荷によって複数の場が生成される場合、正味の場は個々の場のベクトル和になるというものです。

次の例を考えてみましょう。同じ空間領域に2つの電荷があるとします。これらの電荷の近くの場所における電場をどのように見つけるでしょうか？

任意の点における電場は、各電荷による電場のベクトル和に過ぎません。2つの電荷（赤い球）が電場（白い矢印）を生み出す場合、この図は次のようになります。その点における結果として生じる電場の合計は、黄色の矢印で表されます。

2つの電荷が同じ方向に電場を作る場合、結果として生じる電場は大きくなります。しかし、2つの電場が反対方向の場合、電場は小さくなります。完全に打ち消し合う場合、電場はゼロになります。

導体内の電界

ファラデーケージはまさにこれと同じ働きをします。つまり、反対方向にもう一つの電磁場を作り出すことで、一つの電磁場を打ち消します。重ね合わせによって二つの場は打ち消し合い、正味の電界はゼロになります。電界がゼロになると、電磁波は発生しなくなります。しかし、ファラデーケージは電界を遮断しているのではなく、打ち消しているということを覚えておくことが重要です。

通常、「ケージ」とは、携帯電話などの物体を囲む球状のシェルで、導電性のある金属で作られています。この金属の導電性により、ケージ内の電荷が表面に沿って移動し、携帯電話から発せられる電磁波を打ち消す二次電界を生成します。そのため、シェル内の携帯電話が信号を発信しても、ファラデーケージの外ではそれを検知できません。

これは逆の場合も同様です。つまり、入射する電磁波はファラデーケージ内の移動する電荷によって打ち消されます。つまり、携帯電話はテキストメッセージや通話を受信して​​いることに気づきません。

ケージの材質がなぜ重要なのか、少し考えてみましょう。ファラデーケージは、銅、アルミニウム、鋼などの導電体である金属で作られています。導電体では、原子は隣接する原子と電子を共有できます。つまり、電子はほぼ自由に原子間を移動できます。しかし、木材、プラスチック、ガラスなどの絶縁体では、電子は元の原子に束縛されており、自由に移動できません。

導体は電荷を移動させることができるため、面白いことが起こります。つまり、電界が導体に接触すると、電荷が移動し、正味の電界がゼロになるのです。

思考実験をしてみましょう。導電性の金属でできた球体に、電子をいくつか加えたとします。（これらの電荷はどこからでも発生する可能性がありますが、現実世界で最も一般的な例は静電相互作用です。例えば、風船を髪にこすりつけたときのように、電子が髪から風船に移動します。この相互作用は、乾燥機から靴下を取り出すときに電気が走るのも、冬に髪が逆立つのも、N95マスクが機能するのも、ライデン瓶が光るのも、この相互作用によるものです。）

乾燥機から出したばかりの帯電した靴下を球体に触れさせ、そこに100個の電子を加えたとしましょう。これらの電子はすべて電界を発生させ、他の電子を押します。その結果、電子はすべて押し離され、球体の表面に到達します。（電子は球体から飛び出すことはできません。）その様子は次のようになります。

しかし、ここが非常に重要な部分です。これらの電子は球体の表面上に、球体内部のどの点においても電場がゼロになるように配置されています。（電場はゼロでなければなりません。もし電場がゼロでなければ、自由電子が押され、移動可能な電荷はすべて球体の表面に向かって移動してしまいます。）電場がゼロになると、電磁波は存在しなくなります。球体はファラデーケージになります。

磁場はどうでしょうか？磁場も打ち消されるのでしょうか？電場と同じようには打ち消されません。問題は、磁荷というものが存在しないということです。つまり、導体内部の磁場を打ち消すために磁荷を分離することはできないということです。でも、心配しないでください。電磁波は変化する電場と変化する磁場の両方を必要とすることを覚えておいてください。電場を打ち消せば、電磁波は存在しません。

実際のファラデーケージ

ファラデーケージは球体である必要はありません。内部が空洞であれば、どんな形状でも構いません。（電荷は形状の表面に集中するので、空洞かどうかは問題ではありません。）しかし実際には、携帯電話をただ導電体で覆っただけではファラデーケージとして機能しません。材料の厚さと強度という2つの重要な要素があります。まずは厚さから見ていきましょう。

ファラデーケージのパラメータの一つに「表皮深さ」があります。これは、電磁波を効果的に打ち消すために必要な材料の最小厚さを計算する方法です。表皮深さは、材料の抵抗率（電子の移動しにくさ）、電磁波の周波数、そして材料の磁性に依存します。つまり、波長が長い場合（電波など）、ケージ内の材料は厚くする必要があります。

携帯電話をアルミホイル1枚で包んだとしましょう。アルミホイルは確かに電気を通しますが、非常に薄いです。移動できる電子の数は少なく、（薄いため）電子同士の距離もあまり離れません。結局、内部の電界を完全に打ち消すことはできません。ですから、アルミホイル1枚では十分ではないかもしれません。

私の言うことを鵜呑みにする必要はありません。携帯電話をアルミホイルで1枚包み、電話をかけてみましょう。（もちろん、別の携帯電話が必要になります。）もし電話が鳴ったら、ファラデーケージの厚さが足りません。電話が鳴らなくなるまでアルミホイルを重ねていきましょう。そうしたら、ファラデーケージが機能するのに十分な表皮の厚さが得られたことになります。

ファラデーケージは、完全な固体ではなく、メッシュ素材で作ることもできます。計算は複雑ですが、一般的にはメッシュの穴の直径が電磁波の波長よりも小さければ問題なく機能します。

FMラジオを100MHzの放送局に合わせていると想像してみてください。この電波の波長は3メートルです。つまり、メッシュの穴の直径が3メートル未満であれば、電波スペクトル中の電磁波は打ち消されます。（つまり、人が通り抜けられるほどの大きさの穴を持つファラデーケージを作ることができるということです。）

スマートフォンから発せられる5G信号は、はるかに小さな波長を持っています。周波数は約30GHzで、波長は約1cmです。メッシュ配線のファラデーケージでも、穴の直径が1cm未満であれば、スマートフォンの信号を遮断できます。

もちろん、本当にネットワークから切り離して、携帯電話が見つからないようにしたい場合は、もっと簡単な解決策があります。それは、単に電源を切ることです。