2)Физические основы экранирования магнитных полей, выбор материалов экрана

Экранирование магнитных полей. В пространстве, окружающем любую цепь, по которой протекает электрический ток, возникает магнитное поле, постоянное или переменное в зависимости от характера этого тока. Функциональные узлы и элементы аппаратуры, в которых протекают большие токи и имеют место малые перепады напряжения, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием магнитной составляющей.

Постоянное магнитное поле никаких ЭДС в находящихся в этом поле проводниках не вызывает, а переменное поле возбуждает в проводниках переменные ЭДС. Если такой проводник является частью замкнутой электрической цепи, то под влиянием возникающей в нем ЭДС в цепи начинает протекать переменный электрический ток, магнитное поле которого будет направлено против возбуждающего первоначального поля, стремясь его скомпенсировать.

Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана, происходящем вследствие повышенной магнитной проводимости вещества, из которого он сделан.

Рассмотрим ситуацию, рис. 2.4, когда источником магнитного поля является виток провода, по которому протекает переменный ток ~I. В этом случае существует необходимость обеспечения защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля, созданного таким витком. С этой целью необходимо поместить виток провода в экран. Переменное магнитное поле витка, пронизывая экран, индуцирует в нем переменную ЭДС, вследствие чего по экрану протекают переменные вихревые токи. Магнитное поле, порождаемое этими токами, складывается во внешнем пространстве с полем экранируемого витка со сдвигом фаз, близким к 180°, и ослабляет его. Чем меньше сопротивление стенок экрана и чем больше их толщина, тем меньше различие между величинами напряженности магнитного поля вихревых токов, протекающих по экрану, и магнитного поля вне витка, создаваемого вне экрана. Чем ближе разность фаз этих полей к 180°, тем больше взаимная компенсация, меньше остаточное поле вне экрана, а, следовательно, больше эффективность экранирования.

С увеличением частоты магнитного поля распределение вихревых токов по сечению материала экрана становится все более неравномерным, т.е. проявляется поверхностный эффект, при котором происходит сосредоточение вихревых токов в поверхностных слоях экрана и ослабление переменного магнитного поля при проникновении его в толщину экрана. Чем выше частота магнитного поля, тем меньше глубина проникновения. Следовательно, экранирование магнитного поля обусловлено, во-первых, компенсацией этого поля магнитным полем вихревых токов, и, во-вторых, ослаблением магнитного поля при проникновении в толщину стенок экрана. До тех пор пока толщина стенок экрана меньше глубины проникновения, решающим может оказаться ослабление поля при проникновении его в толщину стенок экрана. Так как с ростом частоты магнитного поля глубина проникновения уменьшается, то уменьшается и магнитопроводность экрана, которая зависит от габаритов и магнитной проницаемости материала экрана. В этих условиях из-за существенного уменьшения эквивалентной толщины стенок экрана явление шунтирования магнитного поля не проявляется. Поэтому для обеспечения экранирования на высоких частотах в качестве материала экранов часто применяются немагнитные материалы.

Эффективность магнитостатического экранирования тем больше, чем больше магнитная проницаемость вещества , из которого сделан экран, и толщины этого экрана d.

Для получения высокого коэффициента экранирования стенки экрана приходится делать сравнительно толстыми или применять составной экран из нескольких слоев материалов с большой магнитной проницаемостью ( >>1).

Экранирующие материалы и конструкции экранов. Для экранирования электрических полей используют материалы с высокой электропроводностью. Эффективность такого экрана, как видно из выше приведенных формул, бесконечно велика на очень низких частотах и падает с их ростом. Экранировать магнитные поля более сложно, поскольку затухание из-за отражения равно нулю для некоторых сочетаний материалов и частот. С уменьшение частоты ослабление магнитного поля из-за отражения и поглощения в немагнитных материалах (например, в алюминии) падает, поэтому трудно создать магнитный экран из немагнитных материалов. На высоких частотах, где экранирование обеспечивается и поглощением и отражением, выбор материала менее критичен. Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование от плоских волн за счет поглощения, в то время как электропроводящие материалы – за счет отражения.

Принято считать, что большинство жестких механических материалов обладают хорошими экранирующими свойствами. На звуковых частотах эта закономерность не соблюдается, и для магнитного экранирования следует применять материалы с высокой магнитной проницаемостью.

На низких частотах стальной экран, магнитная проницаемость которого может быть достаточно высока (или экран из другого электропроводящего материала со значительной магнитной проницаемостью), оказывается эффективнее медного по поглощению. Однако для повышения его эффективности приходится увеличивать толщину экранирующего листа. Кроме того, с ростом частоты магнитная проницаемость всех материалов быстро уменьшается, причем тем значительнее, чем больше ее начальное значение. Поэтому материалы с большой магнитной проницаемостью (104 Гн/м) целесообразно использовать только до частот порядка 1 кГц. При больших значениях напряженности магнитного поля из-за насыщения материала ферромагнетика его магнитная проницаемость падает тем резче, чем больше начальное значение проницаемости.

Для того, чтобы избежать эффекта насыщения экран делают многослойным, при этом желательно, чтобы каждый последующий (по отношению к экранируемому излучению) слой имел большее начальное значение магнитной проницаемости, чем предыдущий, так как эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в толщину материала обратно пропорциональна произведению его магнитной проницаемости и проводимости. Той же толщины, но исполненные многослойно экраны более эффективны, так как дополнительно обеспечивают многократное отражение электромагнитной энергии на границе раздела свободное пространство-экран. Наиболее эффективны экраны из комбинаций магнитных и немагнитных слоев, например, сочетание медного и стального слоев.

В ряду специально изготавливаемых для экранирования материалов находятся различные аморфные сплавы. На основе которых созданы экраны с коэффициентом экранирования до 60 дБ. Из аморфных ферромагнетиков также разработаны магнитные экраны для квазистатических полей (магнитного поля земли). Для магнитного экранирования малых объемов возможно применение аморфного ферромагнитного микропровода.

Билет№24