1.2. Магнитное экранирование

Когда наиболее существенную роль в работе электромагнитного устройства играет низкочастотная магнитная составляющая поля, а электрическая значения не имеет, то одним из возможных способов защиты является магнитное экранирование. В этом случае экранируемый объект помещают внутри замкнутой оболочки из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Принцип действия такого экрана можно пояснить с помощью рис.6, на

Рис. 6. Картина магнитного поля

при использовании цилиндрического экрана

котором изображено сечение круглой стальной трубы. Внешнее магнитное поле источника помех будем считать однородным и направленным вдоль горизонтальной оси (рис.6). На достаточно большом расстоянии от трубы (экрана) силовые линии идут горизонтально, затем по мере приближения к экрану они начинают изгибаться, стремясь подойти к его поверхности под углом, близким к прямому . При переходе через поверхность силовые линии согласно закону преломления испытывают резкий излом и большая часть из них проходит внутри металла, не попадая в полость трубы (рис.6). Отсюда и возникает эффект экранирования, причем он тем сильнее, чем резче излом (больше) и чем толще экран.

При простых формах экранов (цилиндрической, сферической) коэффициенты экранирования, т.е. отношение напряженности поля Н₀ без экрана к напряженности поля Н_i в полости экрана, могут быть найдены аналитически. Для цилиндрического экрана с внутренним радиусом трубы , внешним(рис.7) и относительной магнитной проницаемостью металла экрана коэффициент экранирования однородного поля с напряженностью Н₀ определяется по формуле

. (15)

r₂

y

Рис.7. Геометрия цилиндрического экрана

Если толщина экрана значительно меньше радиуса трубы, то привместо (15) можно использовать приближенную формулу

. (16)

Для сферического экрана коэффициент экранирования

, (17)

где и внутренний и внешний радиусы сферической стальной оболочки. При условиях, определяющих переход от соотношения (15) к соотношению (16), можно пользоваться приближенной формулой

, (18)

где  толщина оболочки;  ее средний радиус ().

Формулы (15), (17) получены для постоянного поля, но ими можно пользоваться и для переменного поля при условии, что глубина проникновения значительного больше толщины стенки экрана.

1.3. Электромагнитное экранирование

Электромагнитное экранирование предназначено для защиты электротехнических устройств от помех, вызванных электромагнитным полем, в котором существенную роль играют как магнитная, так и электрическая составляющая. Действие электромагнитного экрана основано на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, находящемся во внешнем переменном магнитном поле, наводятся вихревые токи. Направление вихревых токов всегда таково, что их собственное (индуцированное) поле стремится ослабить вызвавшее их внешнее поле. Этим создается эффект экранирования, в силу которого внешнее (помехонесущее) поле в полости экрана (экранируемом объекте) может быть существенно ослаблено. С другой стороны, те же вихревые токи приводят к перераспределению поля в металле экрана, сгущая его у поверхности. Это также приводит к усилению экранирующих свойств электромагнитного экрана.

Чтобы разобраться в этих явлениях более конкретно, рассмотрим вначале простой пример экранирующего кольца. Пусть внешнее однородное магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости кольца. Будем считать кольцо достаточно тонким с тем, чтобы не учитывать перераспределение токов в металле кольца. Тогда наведенная в нем внешним полем ЭДС

,

где  магнитный поток, проходящий внутри кольца.

Наведенная ЭДС вызовет в кольце ток

,

где R  активное сопротивление кольца;  индуктивное сопротивление.

Индуцированный ток создает свое собственное магнитное поле, которое будет ослаблять магнитное поле внутри кольца и усиливать его вне кольца.

Поскольку индуцированный магнитный поток равен , то внутри кольца результирующий магнитный поток

,

откуда коэффициент экранирования кольца

или по модулю

. (19)

Таким образом, экранирующее свойство кольца («кольцевой» эффект) будет проявляться тем сильнее, чем выше частота, т.е. чем больше индуктивное сопротивление кольца по сравнению с активным.

Если из таких колец (при небольшом изменении формы их сечения) составить сферическую оболочку, то она также будет экраном, причем эффект экранирования будет иметь место во всей внутренней полости оболочки (экранируемом объеме). При этом в металле оболочки поле будет вытесняться на поверхность, что приведет к усилению эффекта экранирования, т.е. к уменьшению поля в полости экрана.

Степень проявления эффекта вытеснения (поверхностного эффекта) оценивается по величине глубины проникновения:

, (20)

где f  частота;  - относительная магнитная проницаемость;  - удельная проводимость металла экрана.

Из этой формулы следует, что для усиления экранирующих свойств экрана, обусловленных поверхностным эффектом, необходимо, чтобы глубина проникновения b была значительно меньше толщины экрана d. При этом, очевидно, толщина экрана не должна быть слишком велика. На высоких частотах порядка 100 кГц и более можно применять экраны из немагнитных металлов, поскольку согласно формуле (20) глубина проникновения будет порядка 0,1 мм. На низких (промышленных) частотах необходимо применять экраны из ферромагнитных материалов (электротехнических сталей) с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае согласно формуле (20) также можно получить малую глубину проникновения. Например, при иона также будет составлять величину порядка десятых долей миллиметра.

Степень проявления «кольцевого» эффекта и эффекта вытеснения, создающих эффект экранирования, зависит от формы экрана и геометрии внешнего поля, т.е. от того, как его силовые линии подходят к поверхности экрана. Например, в случае цилиндрического экрана вблизи его оси силовые линии внешнего поля будут подходить к экрану почти перпендикулярно и в этой области экранирование будет обеспечивать главным образом кольцевой эффект. С другой стороны, на участках оболочки, удаленных от оси, силовые линии будут скользить вдоль поверхности, и здесь, в средней части экрана, экранирование будет происходить в основном за счет поверхностного эффекта.

Расчет электромагнитных экранов - задача довольно сложная. При произвольной форме экрана достаточно надежные результаты можно получить только на ЭВМ с использованием численных методов. С помощью аналитических методов можно найти решение только для наиболее простых форм экрана: цилиндрической и сферической. В обоих случаях оказывается, что, так же как и для магнитных экранов, поле внутри экранов будет однородным, если внешнее поле однородно. Это позволяет использовать для оценки эффективности экрана коэффициент экранирования. Однако точные формулы для него довольно громоздки и малопригодны для расчетов. Обычно пользуются приближенными формулами, учитывающими, что глубина проникновения при электромагнитном экранировании обычно мала по сравнению с характерными размерами экрана. В частности, для цилиндрического экрана коэффициент экранирования

, (21)

где - внутренний и внешний радиусы экрана (см. рис.7); - толщина экрана; .

Данная формула пригодна при условии: (b - глубина проникновения (20)).