–мощности излучения, отражаемого от экрана (используется в стелс-технологии);

–вихревых токов, индуцируемых в материале экрана.

Таким требованиям удовлетворяют композитные материалы с магнитными частицами (МЧ), в которых ЭМИ поглощается в основном за счет электромагнитных потерь при перемагничивании материала электромагнитным излучением (резонансные и релаксационные потери).

§ 4.2. Физические основы электромагнитного экранирования

Экран, предназначенный для защиты от воздействия электростатического поля, называется электростатическим. Принцип его действия заключается в замыкании силовых линий электрического поля на проводник, имеющий постоянный потенциал (заземление).

Распределение силовых линий поля при электростатическом экранировании показано на рис. 4.2. Между источником электростатического поля 1 и экранируемым объектом 2 расположен заземленный экран 3, выполненный в виде тонкой сплошной или сетчатой металлической оболочки, замыкающей на себя большую часть электрических силовых линий. Эффективность экранирования зависит от электрического сопротивления, формы и размеров экрана.

Если экран полностью окружает источник 1 (или экранируемый объект 2), то при наличии заземления заряды стекают на землю, не влияя на экранируемый объект.

Рис. 4.2. Распределение силовых линий электрического поля при электростатическом экранировании

118

где lcp – средняя длина экрана вдоль линии магнитной индукции;

S – поперечное сечение экрана; F – магнитодвижущая сила, определяемая по выражению

где Hl – проекция Н на направление элемента контура интегриро-

вания dl ; п – количество проводников (витков) с током Ii , охваты-

ваемых контуром.

Если обозначить первый сомножитель в (4.2) как 1/Rм, то получим:

где Rм – магнитное сопротивление, т. е. характеристика магнитной цепи, равная отношению магнитодвижущей силы F, действующей в магнитной цепи, к созданному в цепи магнитному потоку Ф.

119

Шунтирование магнитного потока экраном происходит в том случае, если его магнитное сопротивление меньше, чем магнитное сопротивление экранируемого объема и окружающей его среды.

Уменьшение магнитного сопротивления экрана за счет увеличения магнитной проницаемости используемого магнитного материала и сечения экрана повышает эффективность экранирования. Наличие в конструкции экрана стыков, швов и других немагнитных зазоров увеличивает магнитное сопротивление, что объясняется снижением μ и увеличением lcp. При этом наибольшее влияние они оказывают при перпендикулярном расположении относительно направления распространения магнитного потока.

Магнитостатические экраны изготавливают из сплавов с высокой магнитной проницаемостью, к которым относятся металлические ферромагнитные сплавы, производимые в виде листового проката различной толщины*.

Применение металлических ферромагнитных сплавов объясняется тем, что они одновременно с магнитостатическими полями экранируют и электростатические поля (за счет малого удельного сопротивления). Эффективность экранирования магнитостатического поля повышается с увеличением толщины экрана, который при необходимости выполняется многослойным. В последнем случае за счет многослойности тонкостенного материала достигается требуемая толщина.

Задача. Рассчитать минимальную толщину стенок d цилиндрического магнитостатического экрана внешним диаметром 0,4 м, изготовленного из материала с магнитной проницаемостью μ′ = 3000 (рис. 4.3), необходимую для обеспечения эффективности экранирования Э = 31,5 дБ.

Решение. Эффективность экранирования магнитостатического поля цилиндрическим экраном (см. рис. 4.3) определяется выражением

* Например, пермаллой марки 79НМ выпускается в виде лент и листов, в основном имеющих толщину 0,0015…2,5 мм.

120

При d << r2 эффективность экранирования может быть рассчи-

Ответ: d 0,01 м.

При конструировании магнитостатических экранов необходимо учитывать следующее:

–применяемые материалы должны обладать высокой магнитной проницаемостью при заданном значении напряженности магнитного поля;

–эффективность экранирования повышается при увеличении толщины стенок экрана;

–стыки и швы в экране должны располагаться параллельно линиям магнитной индукции;

–на эффективность экранирования влияет размер воздушного зазора между экранируемым объектом и экраном (рекомендуемое значение – не менее 10 мм);

–отсутствие заземления не снижает эффективности экраниро-

вания.

Экранирование ЭМП с помощью экранов, содержащих магнитные материалы, осуществляется за счет различных механизмов.

Взависимости от свойств магнитного материала экрана преобладает поглощение или отражение энергии ЭМП. Поглощение происходит за счет больших магнитных потерь, свойственных ферритам и композитным материалам с диэлектрической матрицей и магнитными дискретными элементами (см. § 4.6). Экранирование ЭМП проводящими ферромагнитными материалами (сталь, пермаллой, аморфные и нанокристаллические сплавы и др.) осуществляется в основ-

121

ном за счет вытеснения магнитного поля к поверхности экрана встречно-направленным размагничивающим полем, создаваемым вихревыми токами. Переменное магнитное поле вихревых токов порождает переменное электрическое поле, вектор напряженности которого противоположен вектору напряженности электрического поля, воздействующего на экран ЭМП. Таким образом, затухают обе компоненты ЭМП – и электрическая, и магнитная.

Затухание ЭМП по мере его проникновения в глубь проводящей среды называется поверхностным эффектом* (скин-эффектом), в результате которого переменный ток по сечению проводника или переменный магнитный поток по сечению магнитопровода распределяется неравномерно, преимущественно в поверхностном слое (скин-слое). Это явление выражено тем резче, чем выше частота магнитного поля, магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость материала экрана.

Расстояние от поверхности экрана (δс), на котором напряженность магнитного поля снижается в е раз (т. е. в 2,73 раза), называется глубиной проникновения (толщиной скин-слоя) и рассчитыва-

ется по (1.13).

Формула (1.13) показывает, что при заданной частоте и приблизительно равных значениях удельного электрического сопротивления магнитный материал по сравнению с немагнитным будет

–иметь меньшее значение δс;

–обеспечивать равную эффективность экранирования при меньшей толщине.

На рис. 4.4 представлены частотные зависимости эффективности экранирования ЭМП для экранов, изготовленных из пермаллоя, меди и электротехнической стали. Материалы с высоким значением магнитной проницаемости (например, пермаллой) на частоте до 4 кГц характеризуются большим́ значением эффективности экранирования по сравнению с медью. С ростом частоты ЭМИ магнитная проницаемость пермаллоя (как и стали) снижается, что приводит к уменьшению эффективности экранирования.

*Поверхностный эффект – явление уменьшения плотности электрического тока в проводнике по мере удаления от поверхности проводника, вызванное затуханием проникающего в проводник электромагнитного поля.

122