Cage de Faraday

Une cage de Faraday est une enceinte utilisée pour protéger des nuisances électriques et subsidiairement électromagnétiques extérieures ou inversement empêcher un appareillage de polluer son environnement. Une cage de Faraday est fréquemment utilisée quand on désire effectuer des mesures précises en électronique ou en électricité.

Principe

Telle qu'elle a été étudiée par Michæl Faraday lors de ses travaux sur les conducteurs, la cage de Faraday (c'est-à-dire une enceinte conductrice qui est reliée à la terre de manière à maintenir son potentiel fixe) est étanche aux champs électriques (créés par la simple présence d'une différence de potentiel, sans qu'un courant ne soit indispensable) et ce, que la source perturbatrice soit à l'intérieur ou hors de l'enceinte.

Cette structure peut aussi avoir un effet indirect de protection contre les perturbations d'origine électromagnétique (dues à un courant). On parle alors plutôt de blindage électromagnétique. Pour cet usage, il n'est plus indispensable que la structure soit reliée à la terre mais l'efficacité est fortement influencée par la fréquence de la perturbation et par la perméabilité magnétique du matériau.

Constitution

L'enceinte métallique doit habituellement être fermée de chaque côté. Mais elle peut aussi être constituée de grillage ajouré (d'où le nom de cage). Un grillage avec une maille de quelques centimètres agit comme un miroir sur une onde décimétrique, comme cela est utilisé dans les miroirs primaires des radiotélescopes (Effelsberg, Nançay). Plus la fréquence de l'onde est élevée (donc plus sa longueur d'onde est courte), plus la maille doit être petite.

Il existe trois techniques principales de réalisation des cages de Faraday industrielles :

• Cages modulaires :

Elles sont réalisées avec bacs en acier pliés ou avec panneaux en bois revêtus sur les deux faces d'une feuille d'acier. Les bacs sont assemblés entre eux avec boulons. Les panneaux en bois sont assemblés avec profils d'assemblage en acier. Avantage des bacs : insensibilité à l'humidité ainsi qu'aux variations hygrométriques. Bonne tenue dans le temps de la géométrie. Avantage des panneaux : Il peuvent être recoupés. Les dimensions de la salle peuvent être modifiées (en cas de déménagement par exemple). Les cages modulaires permettent d'atteindre des performances supérieures à 100 dB à 100 MHz.

• Cages architecturales en cuivre :

Elles sont réalisées avec un feuillard de cuivre de 2 ou 3 dixièmes de mm (livré en rouleau) qui est posé en recouvrement et soudé en continu à l'étain. Cette technique s'adapte bien aux locaux de grandes dimensions et sert à s'adapter aux géométries complexes (coins, décrochements, poutres, piliers), ce qui est plus compliqué, ou alors impossible avec une cage modulaire. Il n'y a pas de perte de place, le cuivre s'appliquant directement sur les murs. Cependant, il faut prévoir un doublage pour la décoration. Les cages cuivres permettent d'atteindre des performances supérieures à 100 dB à 100 MHz.

• Cages architecturales en tissu métallisé :

La cage est réalisée avec une tapisserie métallisée posée avec colle, comme un papier peint classique. Cette technique présente les mêmes avantages que les cages cuivre. Les performances atteintes sont supérieures à 60 dB à 100 MHz. Ces performances suffisent dans une majorité d'application. L'intérêt de cette technique est qu'il est envisageable d'y adjoindre des fenêtres. En effet, l'inconvénient principal des cages de Faraday est que pour préserver les performances, il est impossible d'y installer des fenêtres (80 dB max. ). Il est par conséquent complexe d'envisager un poste de travail permanent en cage de Faraday modulaire ou cuivre.

Il faut rappeler :

1. Que les performances (et le coût) d'une cage tiennent pour la majeure partie dans ses accessoires : portes, fenêtres, passages pour la ventilation (nids d'abeille), et les fluides (guides d'ondes).
2. Que l'ensemble des conducteurs pénétrant et sortant de la cage doivent être pourvus de filtres radioélectriques (sinon, les conducteurs se comportent comme des antennes et diminuent particulièrement fortement les performances globales de la cage).

Les visiteurs du Palais de la découverte, à Paris, peuvent observer une cage de Faraday et son fonctionnement.

Exemples d'applications

• L'automobile est une cage de Faraday courante, qui quoiqu'imparfaite joue fréquemment bien son rôle. L'utilisation de matériaux composites non conducteurs mais aussi les ouvertures vitrées font que suivant le modèle, elle n'est que rarement une bonne cage de Faraday.
• Le boîtier métallique des ordinateurs forme aussi une cage de Faraday. Si ce boîtier est non métallique (plastique), il est , pour répondre aux normes de radio-compatibilité, doublé aux lieux stratégiques, d'une fine feuille métallique reliée à la masse électrique de la machine.
• En général, énormément d'appareils électroménagers sont équipés de blindage internes formant des cages de Faraday au moins pour les parties sensibles. Fréquemment pour des impératifs de coûts de construction, les feuilles métalliques de blindage sont remplacées par une couche d'un matériau conducteur appliqué par projection sur l'intérieur de la carrosserie faite de matériaux isolant.
• les appareils d'IRM sont entourés d'une cage de faraday pour isoler la pièce des ondes pouvant interférer avec les ondes de radiofréquence émises par le générateur d'ondes radio.
• les équipements d'électrophysiologie sont toujours entouré d'une cage de Faraday, pour maintenir le bruit parasite faible, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit.
• Les maisons individuelles sont quelquefois pourvues d'une cage de Faraday ce qui sert à protéger tous ceux qui sont à l'intérieur.

Liens externes

• Une vidéo explicative sur la cage de Faraday en électrostatique
• Conception et fabrication de cage de faraday, images de différents types de cages de faraday

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