फ़ोन के भीतर लगे छोटे धातु के डिब्बे हीट सिंक नहीं हैं। हर परिपथ एक अनचाहा रेडियो है, और जवाब वही डिब्बे हैं

फ़ोन या लैपटॉप खोलिए तो सर्किट बोर्ड पर चपटे टँके हुए छोटे आयताकार धातु के डिब्बे मिलते हैं, और किनारों पर पन्नी व धातु चढ़ी टेप। इन्हें अक्सर हीट सिंक समझ लिया जाता है। ये हीट सिंक नहीं हैं — ये गर्मी हटाने में अक्सर कमज़ोर होते हैं और कभी-कभी उसके रास्ते में भी आते हैं।

ये इसलिए हैं कि इलेक्ट्रॉनिक्स के बारे में एक असुविधाजनक तथ्य है: जो भी परिपथ काम लायक़ तेज़ चलता है, वह रेडियो ट्रांसमीटर भी है और रेडियो रिसीवर भी — चाहे कोई यह चाहता हो या नहीं। तीखे स्विच होते क्लॉक की लाइन विकिरण करती है। कुछ ऐम्पियर स्विच करता पावर कन्वर्टर उससे भी ज़्यादा करता है। और जो ट्रैक विकिरण करते हैं, वही आसपास के बाक़ी विकिरण को पकड़ते भी हैं — जिसमें कुछ सेंटीमीटर दूर बैठा फ़ोन का अपना ट्रांसमीटर भी शामिल है।

शील्डिंग का काम इसी को घेरे में रखना है। और उससे मिलने वाला सबसे काम का सबक़ वही है जो मास्क वाले लेख में आया था: तंत्र का प्रदर्शन दरारों से तय होता है, मटेरियल की गुणवत्ता से नहीं।

परिपथ विकिरण करते ही क्यों हैं

स्थिर धारा विकिरण नहीं करती। बदलती धारा करती है — और आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स धारा को जान-बूझकर बहुत तेज़ी से बदलता है, क्योंकि तीखे स्विचिंग किनारे ही डिजिटल संकेत को साफ़ और पावर कन्वर्टर को कुशल बनाते हैं।

नतीजा यह कि परिपथ में मौजूद आवृत्तियाँ उससे कहीं आगे तक जाती हैं जिस आवृत्ति पर वह चलता दिखता है। वर्गाकार तरंग में उसकी मूल आवृत्ति के साथ हार्मोनिक्स की लंबी शृंखला होती है, और किनारे जितने तीखे, ऊँचे हार्मोनिक्स में उतनी ज़्यादा ऊर्जा। 100 MHz क्लॉक और तेज़ किनारों वाले बोर्ड में कई गीगाहर्ट्ज़ पर असली ऊर्जा होती है — यानी ठीक उसी बैंड में, जहाँ उसी उपकरण के Wi-Fi और सेल्युलर रिसीवर अरबों गुना कमज़ोर संकेत सुनने की कोशिश कर रहे हैं।

फिर सही लंबाई का कोई भी चालक एंटेना की तरह बर्ताव करने लगता है: कोई ट्रैक, कोई केबल, कोई हीट सिंक, ठीक से ग्राउंड न की गई शील्ड। सबसे बड़े अपराधी आम तौर पर केबल होते हैं, क्योंकि वे लंबे होते हैं — और एंटेना को लंबाई ही चाहिए।

इससे दो अलग ज़िम्मेदारियाँ बनती हैं। उत्सर्जन — यानी बाक़ी सबमें दख़ल न देना — नियामक शर्त है, और उत्पाद बिकने से पहले तय सीमाओं पर जाँचे जाते हैं। प्रतिरक्षा — यानी दूसरों से बिगड़ न जाना — वह है जो उपकरण को मोटर, लिफ़्ट या ट्रांसमीटर के पास ग़लत बर्ताव करने से रोकती है। दोनों मिलकर विद्युतचुंबकीय संगतता हैं, और इनमें से किसी में भी नाकाम उत्पाद बाज़ार तक नहीं पहुँचता।

शील्डिंग पहले परावर्तन है, अवशोषण बाद में

शील्ड की सहज तस्वीर एक ऐसी दीवार की है जो रोक देती है। भौतिकी थोड़ी अलग और काफ़ी ज़्यादा काम की है।

हवा में चलती विद्युतचुंबकीय तरंग जब किसी चालक सतह से मिलती है, तो उसे प्रतिबाधा में अचानक बदलाव मिलता है — खुला आकाश क़रीब 377 ओम है, धातु उसका बहुत छोटा अंश। तरंग का ज़्यादातर हिस्सा परावर्तित हो जाता है, उसी वजह से जिससे रोशनी आईने से लौटती है और रस्सी की तरंग गाँठ से टकराकर वापस आती है। अच्छे चालकों के लिए ज़्यादातर आवृत्तियों पर बड़ा काम परावर्तन ही करता है।

जो भीतर घुस जाता है वह फिर सोख लिया जाता है, और गहराई के साथ चरघातांकी रूप से घटता जाता है। जिस दूरी में क्षेत्र घटकर क़रीब एक-तिहाई रह जाता है, वही त्वचा गहराई है, और आवृत्ति बढ़ने पर वह सिकुड़ती है। ताँबे में यह मेन्स के आसपास की आवृत्तियों पर कुछ मिलीमीटर है, मेगाहर्ट्ज़ के आसपास दसियों माइक्रोमीटर, और एक गीगाहर्ट्ज़ पर क़रीब दो माइक्रोमीटर।

यही एक आँकड़ा बहुत कुछ समझा देता है। गीगाहर्ट्ज़ पर कुछ ही माइक्रोमीटर मोटी शील्ड कई त्वचा-गहराइयों के बराबर है और ज़बरदस्त क्षय करती है — इसीलिए धातु चढ़ा प्लास्टिक, पतली पन्नी और निर्वात में जमाई गई कोटिंग ऊँची आवृत्ति की शील्डिंग के लिए बिलकुल काम करती हैं, और इसीलिए चिप के ऊपर लगे डिब्बे को मोटा होने की ज़रूरत नहीं। यही उलटी बात भी समझाता है: कम आवृत्ति पर त्वचा गहराई बड़ी होती है, इसलिए पतली चालक शील्ड लगभग कुछ नहीं करती, और कम आवृत्ति की शील्डिंग सचमुच कठिन समस्या है।

शील्डिंग प्रभाविता डेसिबल में बताई जाती है, और इस साइट के हर लघुगणकीय पैमाने की तरह यह ऊपर जाकर सिकुड़ जाती है: 20 dB यानी 99% शक्ति रुकी, 40 dB यानी 99.99%, 60 dB यानी 99.9999%। ज़्यादातर उपभोक्ता उपकरणों को 30 से 60 dB के बीच कुछ चाहिए; इससे आगे जाना अनुपात से कहीं ज़्यादा महँगा पड़ता है और उसका फ़ायदा किसी को नहीं चाहिए।

सब कुछ छेद तय करते हैं

अब वह हिस्सा जो व्यवहार में सबसे ज़्यादा मायने रखता है और उन लोगों को चौंकाता है जो शील्ड को दीवार समझते हैं।

किसी शील्ड की प्रभाविता की सीमा उसका मटेरियल शायद ही कभी होती है। सीमा उसके छेद तय करते हैं — जोड़, हवा के लिए बने सुराख़, कनेक्टर की खिड़कियाँ, डिस्प्ले की कटाई, वह दरार जहाँ ढक्कन दीवार से मिलता है।

चालक सतह में कटी दरार स्लॉट एंटेना की तरह बर्ताव करती है। जब उसकी सबसे लंबी नाप आधी तरंगदैर्घ्य के पास पहुँचती है तो वह बड़ी दक्षता से विकिरण करती है, और उसका रिसाव उसके क्षेत्रफल से नहीं, उसी सबसे लंबी नाप से तय होता है। इससे एक नियम निकलता है जो सुनने में ग़लत लगता है और सही है: उतने ही कुल खुले क्षेत्रफल वाले बहुत सारे छोटे छेद एक बड़े छेद से कहीं कम रिसाव करते हैं। सौ छोटे सुराख़ों वाला वेंटिलेशन पैनल हवा के लिए क़रीब-क़रीब पारदर्शी और गीगाहर्ट्ज़ क्षेत्र के लिए क़रीब-क़रीब अपारदर्शी हो सकता है, जबकि उतने ही खुले क्षेत्रफल की एक लंबी दरार बुरी तरह रिसती है।

इसका मतलब यह भी है कि असली उत्पाद में नाकामी आम तौर पर किसी जोड़ पर होती है। शील्ड के दो हिस्से जो सिर्फ़ पेंचों पर छूते हों, उनके बीच लंबी बिना जुड़ी दरारें बच जाती हैं — और वे दरारें ही स्लॉट हैं। इसीलिए EMC डिज़ाइन ऐसी चीज़ों से भरा है जो ज़रूरत से ज़्यादा लगती हैं: चालक गास्केट, बोर्ड के किनारे विआ की घनी क़तार, ढक्कन के चारों ओर फ़िंगर स्टॉक, पास-पास लगे पेंच। यह सब सिर्फ़ इसलिए है कि बिना जुड़ी सबसे लंबी नाप छोटी हो जाए।

शील्ड उतनी ही अच्छी है जितनी उसकी सबसे बुरी दरार — और जो दरार विद्युत रूप से लंबी है वह एंटेना है, चाहे उसके चारों ओर की धातु कितनी भी अच्छी हो। मटेरियल आसान हिस्सा है; जोड़ ही असली इंजीनियरिंग हैं।

ग्राउंडिंग से जुड़ा एक और जाल है। जो शील्ड ठीक से जुड़ी न हो वह एक तैरता हुआ चालक है, जो ऊर्जा को एक जगह से दूसरी तक पहुँचा सकता है और हालत बिना शील्ड से भी बदतर कर सकता है। और शील्ड वाले डिब्बे से बाहर जाती कोई भी केबल दख़ल को सीधे दीवार के पार ले जाती है, जब तक उसे छाना न जाए या उसकी शील्ड को प्रवेश-बिंदु पर जोड़ा न जाए — अच्छी तरह शील्ड किया डिब्बा उत्सर्जन जाँच में सबसे ज़्यादा इसी तरह फ़ेल होता है।

कम आवृत्ति ही कठिन मामला है

ऊपर की हर बात विद्युत क्षेत्रों और समतल तरंगों की है, जहाँ चालकता मायने रखती है। कम आवृत्ति के चुंबकीय क्षेत्र अलग समस्या हैं, और कहीं ज़्यादा ज़िद्दी।

मेन्स आवृत्ति जैसे चुंबकीय क्षेत्र ताँबे और ऐलुमिनियम से यूँ निकल जाते हैं मानो वे हों ही नहीं, क्योंकि त्वचा गहराई विशाल है और काम का कोई परावर्तन नहीं होता। इन्हें रोकने के लिए क्षेत्र को परावर्तित नहीं, मोड़ना पड़ता है — यानी ऊँची चुंबकीय पारगम्यता वाला मटेरियल चाहिए, म्यू-मेटल जैसे निकल-लोहे के मिश्रधातु, जो क्षेत्र को आसान रास्ता देकर उसे बचाने वाली जगह के इर्द-गिर्द घुमा देते हैं।

यहाँ एक सुंदर व्यावहारिक ब्योरा है। म्यू-मेटल की पारगम्यता यांत्रिक तनाव से नष्ट हो जाती है: उसे मोड़िए या मशीन कीजिए और उसका प्रदर्शन बैठ जाता है। बनाए गए पुर्ज़ों को बाद में नियंत्रित वातावरण में एनील करना पड़ता है ताकि गुण लौटे — इसी से म्यू-मेटल की शील्ड महँगी होती है और उसे आम शीट मेटल की तरह बरतना नामुमकिन। यह अच्छी याद दिलाता है कि कोई गुण मटेरियल की बनावट का नहीं, उसके इतिहास का भी हो सकता है।

इसीलिए ऑडियो परिपथ में गूँजता ट्रांसफ़ॉर्मर गीगाहर्ट्ज़ के उत्सर्जन से कठिन समस्या है, और इसीलिए संवेदनशील उपकरणों के चारों ओर कभी-कभी चालक और पारगम्य — दोनों तरह की शील्ड लगाई जाती हैं।

नैनोमटेरियल कहाँ सचमुच मदद करते हैं

ढला हुआ धातु का डिब्बा सस्ता, असरदार और पूरी तरह सुलझा हुआ है। इसलिए किसी नए मटेरियल की दलील वहीं से आनी चाहिए जहाँ डिब्बा चलता ही नहीं: वज़न, मोटाई, लचीलापन, टेढ़ी-मेढ़ी सतह पर चढ़ना, या परावर्तन के बजाय अवशोषण की ज़रूरत।

आख़िरी बात समझाने लायक़ है, क्योंकि इस इलाक़े की सबसे मज़बूत तकनीकी दलील यही है। परावर्तन ऊर्जा नष्ट नहीं करता; वह उसे कहीं और भेज देता है। घने असेंबली के भीतर परावर्तक शील्ड दख़ल को पड़ोसी परिपथ पर उछाल सकती है, और किसी बंद डिब्बे में वह अप्रगामी तरंगें बना सकती है जिनसे कुछ जगहें और बिगड़ जाती हैं। अक्सर जो चाहिए वह ऐसी शील्ड है जो सोख ले — यानी क्षेत्र को लौटाने के बजाय मटेरियल के भीतर ऊष्मा में बदल दे।

नैनोसंरचित मटेरियल इसमें सचमुच अच्छे हैं, और वजह संरचनात्मक है। चालक फ़ोम, एयरजेल या परतदार कंपोज़िट तरंग को भीतर बिखरने के लिए बहुत सारी सतहें देते हैं, जिससे वह हानिकारक मटेरियल में एक बार नहीं, कई बार गुज़रती है। कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन के कंपोज़िट व फ़ोम ठीक इसी तरह इस्तेमाल होते हैं, जहाँ छिद्रिलता उतना ही काम करती है जितनी चालकता।

MXene यहाँ सबसे उभरा हुआ नतीजा है। टाइटेनियम कार्बाइड MXene की घोल से बनाई गई फ़िल्में धातु जैसी चालकता और परतदार संरचना — दोनों रखती हैं, और उनकी पतली फ़िल्में अपनी मोटाई के हिसाब से असाधारण शील्डिंग प्रभाविता देती हैं। यह इस मटेरियल का अब तक का सबसे मज़बूत असली उपयोग है, और इसीलिए MXene पर हमारे पिछले लेख ने उनके उपयोगों में EMI शील्डिंग को सबसे पहले गिनाया था। कुछ माइक्रोमीटर मोटी फ़िल्में, लचीले आधार पर स्प्रे या डिप से चढ़ाई हुई, वह काम कर देती हैं जिसके लिए वरना कड़ा धातु का घेरा चाहिए होता।

ईमानदार चेतावनियाँ वही हैं जिन पर यह साइट बार-बार पहुँचती है। साहित्य का बड़ा हिस्सा मोटाई या घनत्व से भाग देकर निकाली गई शील्डिंग प्रभाविता बताता है, जो बहुत पतली फ़िल्मों को चमका देती है और मटेरियलों की तुलना है, उत्पाद का विनिर्देश नहीं — वही जाल जो सुपरकैपेसिटर शोध में फ़ैरड प्रति ग्राम का है। MXene नम हवा में ऑक्सीकृत हो जाते हैं जब तक उन्हें स्थिर न किया जाए, और दस साल चलने वाले पुर्ज़े के लिए यह असली, दर्ज की हुई टिकाऊपन-समस्या है। चिपकाव, रगड़ और बार-बार मुड़ने पर प्रदर्शन — इन पर शील्डिंग के आँकड़ों जितना नहीं लिखा जाता। और मुक़ाबला किसी दूसरी प्रयोगशाला-सामग्री से नहीं है; मुक़ाबला उस ढले हुए स्टील के डिब्बे से है जिसकी क़ीमत कुछ पैसे है।

जहाँ यह सचमुच जीतता है वे वही जगहें हैं जहाँ डिब्बा जा ही नहीं सकता: पहनने वाले उपकरण और लचीले परिपथ, टेढ़ी-मेढ़ी शक्लों पर चढ़ने वाली कोटिंग, एयरोस्पेस जहाँ वज़न महँगा है, और भीड़ भरी असेंबली के भीतर पतली सोखने वाली परतें।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

विद्युतचुंबकीय संगतता ऐसा विषय है जिससे ज़्यादातर इलेक्ट्रॉनिक्स स्नातक पहली बार तब मिलते हैं जब बना हुआ उत्पाद प्रमाणन में फ़ेल हो जाता है — यानी ठीक उस बिंदु पर जहाँ उसे सुधारना सबसे महँगा है। इसे जल्दी सीख लेना उन डिज़ाइन फ़ैसलों को बदल देता है जिनकी क़ीमत सर्किट बनाते समय शून्य है और बाद में भारी।

आगे तक चलने वाला सबक़ छेदों वाला नियम है, और वह इलेक्ट्रॉनिक्स से कहीं बाहर लागू होता है। शील्ड हो, मास्क हो, क्लीनरूम हो या फ़ायरवॉल — तंत्र का प्रदर्शन सबसे बड़ी दरार से तय होता है, बाधा की औसत गुणवत्ता से नहीं; और पहले से पर्याप्त मटेरियल को और सुधारने में लगाई गई मेहनत, जोड़ की अनदेखी करते हुए, बेकार मेहनत है। जिसने यह पचा लिया वह पहले दरार ढूँढ़ेगा — और जवाब आम तौर पर वहीं होता है।

खुले सवाल बुनियादी नहीं, व्यावहारिक हैं। पतली, हल्की और बनने लायक़ अवशोषण-प्रधान शील्ड उन समस्याओं को हल करेंगी जो परावर्तक शील्ड नहीं कर सकतीं। घोल से बनी चालक फ़िल्मों की पर्यावरणीय स्थिरता — ऑक्सीकरण, नमी, बार-बार मुड़ना — ही प्रभावशाली प्रयोगशाला आँकड़ों और बिकने वाले पुर्ज़े के बीच की दीवार है। मिलीमीटर-तरंग बैंड की शील्डिंग कड़ी सहनशीलता माँगती है, क्योंकि तरंगदैर्घ्य घटने के साथ रिसाव करने वाली दरार का नाप भी घट जाता है। और शील्डिंग प्रदर्शन की मानकीकृत, उपकरण-स्तर की रिपोर्टिंग इस साहित्य को इंजीनियरिंग में बदलना कहीं आसान कर देगी।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

क्या फ़ोन का कवर सिग्नल रोकता है?

आम प्लास्टिक या चमड़े का कवर नहीं रोकता, क्योंकि इन आवृत्तियों पर वे मटेरियल रेडियो के लिए पारदर्शी हैं। धातु की पीठ वाला या धातु चढ़ी परत वाला कवर सचमुच सिग्नल घटाता है, और फ़ोन जवाब में ज़्यादा शक्ति से प्रसारण करने लगता है ताकि संपर्क बना रहे — यानी व्यावहारिक असर कॉल कटने का नहीं, बैटरी जल्दी ख़त्म होने का है। फ़ोन से सटाकर कार्ड रखने वाले वॉलेट कवर भुगतान में इस्तेमाल होने वाले निकट-क्षेत्र एंटेना में भी दख़ल दे सकते हैं।

क्या EMF रोकने वाले पेंडेंट, स्टिकर और फ़ोन शील्ड काम करते हैं?

ठीक से बना चालक घेरा रेडियो क्षेत्रों को सचमुच घटाता है — यह हिस्सा सामान्य भौतिकी है, और इसीलिए माइक्रोवेव ओवन के दरवाज़े में जाली होती है। पर छोटा-सा स्टिकर या पेंडेंट कुछ भी घेरता नहीं, इसलिए हर दिशा से आते क्षेत्र को घटा ही नहीं सकता; ऐसा कोई तंत्र है ही नहीं जिससे वह कर सके। यह भी ध्यान देने लायक़ है कि जो चीज़ फ़ोन का सिग्नल कुछ हद तक रोक देती है, वह फ़ोन को ज़्यादा ज़ोर से प्रसारण करने पर मजबूर करती है — यानी बताए गए मक़सद का उल्टा।

माइक्रोवेव ओवन के दरवाज़े में दिखते छेदों वाली जाली क्यों होती है?

क्योंकि छेद उस तरंगदैर्घ्य से कहीं छोटे हैं जिसे रोका जा रहा है। माइक्रोवेव ओवन क़रीब 2.45 GHz पर चलते हैं, यानी क़रीब 12 सेंटीमीटर तरंगदैर्घ्य, और कुछ मिलीमीटर के छेद उस आधी-तरंगदैर्घ्य वाली सीमा से इतने नीचे हैं कि उसके लिए वे व्यावहारिक रूप से अपारदर्शी हैं। दृश्य प्रकाश की तरंगदैर्घ्य माइक्रोमीटर के अंश भर है, इसलिए वह उन्हीं छेदों से आसानी से निकल आता है — इसीलिए आप भीतर देख पाते हैं और माइक्रोवेव भीतर ही रहती है।

फ़ोन की घंटी बजने से ठीक पहले मेरे स्पीकर में भिनभिनाहट क्यों होती थी?

यह उत्सर्जन का नहीं, अपर्याप्त प्रतिरक्षा का शास्त्रीय उदाहरण है। पुराने सेल्युलर प्रोटोकॉल तेज़ झटकों में प्रसारण करते थे, और ठीक से न छाना गया ऑडियो इनपुट उस झटके के लिफ़ाफ़े को सुनाई देने वाली भिनभिनाहट में बदल देता है। फ़ोन बिलकुल सामान्य चल रहा था; स्पीकर का इनपुट अनचाहे रेडियो डिटेक्टर की तरह काम कर रहा था।

क्या मैं ऐलुमिनियम फ़ॉयल को शील्ड की तरह इस्तेमाल कर सकता हूँ?

जल्दी जाँच के लिए हाँ — किसी संदिग्ध केबल या मॉड्यूल को पन्नी में लपेटकर देखना कि समस्या बदलती है या नहीं, जायज़ तरीक़ा है। स्थायी हल के रूप में यह आम तौर पर निराश करता है, क्योंकि शील्ड का सिर्फ़ मौजूद होना काफ़ी नहीं, उसका ठीक से जुड़ा और ग्राउंड किया होना ज़रूरी है; बिना जुड़ी पन्नी युग्मन और बिगाड़ सकती है; और असली प्रदर्शन जोड़ों तथा किसी भी केबल के बाहर निकलने के रास्ते पर तय होता है।