ТОЭ_ЛР6_ТЭМП
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра ТОЭ
ОТЧЕТ по лабораторной работе №6
по дисциплине «Теоретические основы электротехники» Тема: Электромагнитное экранирование
|
|
Мухина А.А. |
|
|
Михайлов Т.А. |
|
|
Воронкова А.Е. |
|
|
Яковлева В. |
|
|
Свириденко А.А. |
Студент гр. 3502 |
|
Волчков Д. |
Преподаватель |
|
Нечаев И.С. |
Санкт-Петербург
2025
Цель работы: исследование экранирующего действия проводящих коротких тонкостенных цилиндров и прямоугольных пластин в переменном электромагнитном поле.
Основные теоретические положения
Электромагнитные экраны применяют как для защиты отдельных элементов, блоков, устройств и целых комплексов различных электротехнических систем от внешнего переменного электромагнитного поля, так и для ослабления внешнего поля самих устройств. В качестве экранов используют металлические оболочки.
Экранирование электромагнитного поля H o
оболочками возможно за счет возбуждения в них создающих встречные компенсирующие поля Hi
открытыми проводящими
вихревых токов |
J |
, |
|
. На основании закона
электромагнитной индукции электродвижущая сила, наводимая в проводящем контуре, равна отрицательной скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур. Данный факт говорит о том, что возникающая в проводящем контуре ЭДС вызывает в нём ток такого направления, при котором создаваемый им вокруг контура вторичный магнитный поток препятствует изменению первичного магнитного поля. В результате внутри контура внешний магнитный поток ослабляется встречным вторичным магнитным потоком. Ослабление поля зависит от сопротивления контура.
На высоких частотах сопротивление проводящего контура практически равно его реактивной части, т. е. индуктивному сопротивлению, пропорциональному частоте. С ростом частоты увеличивается сопротивление контура, но пропорционально частоте увеличивается и величина ЭДС. Поэтому на высоких частотах ослабление поля слабо зависит от частоты.
Коэффициент экранирования напряженности магнитного поля внутри
S |
определяется как отношение |
экрана H |
к напряженности внешнего |
магнитного поля
H o
: = H S Ho .
На высоких частотах коэффициент экранирования стремится к нулю. В этом случае встречный магнитный поток внутри экрана полностью компенсирует внешний магнитный поток.
С уменьшением частоты внешнего электромагнитного поля реактивное индуктивное сопротивление контура становится соизмеримым с активной составляющей сопротивления, определяемой тепловыми потерями в контуре. В результате ЭДС с понижением частоты уменьшается быстрее, чем сопротивление контура, вихревые токи и, следовательно, встречный магнитный поток ослабляются, а коэффициент экранирования стремится к единице.
В закрытых проводящих оболочках коэффициент экранирования существенно зависит от соотношения её толщины и глубины проникновения волны. За счет поверхностного эффекта внешнее поле дополнительно
ослабляется. Расстояние, на котором амплитуда вектора |
Eэл |
или |
Hэл |
волны в проводящих средах уменьшается в e = 2,71 раз, называется глубиной
проникновения
= |
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
эл |
эл |
|||
|
|
|
|
|
.
Обработка результатов эксперимента
1) Таблицы опытных данных U1(z) и U2(y), а также соответствующие графики.
Параллелепипед из оргстекла с цилиндрическим каналом по оси z:
Таблица 1: Опытные данные для оргстекла по оси z.
|
|
|
|
Оргстекло(по оси z) |
|
|
|
|
||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
z |
21,5 |
21 |
21,5 |
21,5 |
22 |
22 |
22 |
22 |
21,5 |
U,mV |
y |
2,8 |
2,9 |
2,9 |
2,8 |
3 |
2,2 |
1,6 |
1,8 |
1,5 |
График опытных данных для оргстекла по оси z
U,mV
25
20
15
U2(y)
10
U1(z)
5
0
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
см
Рисунок 1 – График опытных данных для оргстекла по оси z.
Параллелепипед из оргстекла с цилиндрическим каналом по оси у:
Таблица 2: Опытные данные для оргстекла по оси у.
|
|
|
|
Оргстекло(по оси y) |
|
|
|
|
||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
z |
38 |
37,5 |
37 |
36 |
36,5 |
36 |
35 |
34 |
34 |
U,mV |
y |
5 |
5 |
4,5 |
4,5 |
3,5 |
4 |
4 |
4,2 |
3,5 |
График опытных данных для оргстекла по оси y
U,mV
40 |
|
35 |
|
30 |
|
25 |
|
20 |
U2(y) |
|
|
15 |
U1(z) |
|
|
10 |
|
5 |
|
0 |
|
0 2 4 6 8 10
см
Рисунок 2 – График опытных данных для оргстекла по оси у.
Цилиндр с вырезом по оси z:
Таблица 3: Опытные данные для цилиндра с вырезом по оси z.
|
|
|
Цилиндр с вырезом (по z) |
|
|
|
|
||||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
U, mV |
z |
22 |
22 |
22 |
22 |
22 |
22 |
22 |
22 |
21,8 |
|
y |
2,5 |
2,6 |
2,8 |
3 |
3 |
3,2 |
3,1 |
2,9 |
2,9 |
||
|
|||||||||||
График опытных данных для цилиндра с вырезом по оси z
U,mV
25
20
15
U2(y)
10 |
U1(z) |
5
0
0 |
2 |
4 |
см |
6 |
8 |
10 |
Рисунок 3 – График опытных данных для цилиндра с вырезом по оси z.
Цилиндр с вырезом по оси y:
Таблица 3: Опытные данные для цилиндра с вырезом по оси y.
|
|
|
Цилиндр с вырезом (по y) |
|
|
|
|
||||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
U, mV |
z |
11,5 |
13,5 |
19,5 |
27,5 |
35 |
36 |
37 |
36 |
35 |
|
y |
1,8 |
2,1 |
2,5 |
2,9 |
3,4 |
3,2 |
2,8 |
2,8 |
2,4 |
||
|
|||||||||||
График опытных данных для цилиндра с вырезом по оси y
U,mV
40
35
30
25 |
|
20 |
U2(y) |
15 |
U1(z) |
|
10
5
0
0 |
2 |
4 |
см |
6 |
8 |
10 |
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4 – График опытных данных для цилиндра с вырезом по оси y.
Цилиндр с экраном по оси z:
Таблица 5: Опытные данные для цилиндра с экраном по оси z.
|
|
|
Цилиндр с экраном (по z) |
|
|
|
|
||||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
U, mV |
z |
25 |
25 |
24 |
24 |
24 |
24 |
24 |
24 |
24 |
|
y |
1,5 |
1,5 |
1,4 |
1,1 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
1 |
1,2 |
||
|
|||||||||||
График опытных данных для цилиндра с экраном по z
U, mV
30
25 
20
15 |
|
|
|
|
U1(z) |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
U2(y) |
5 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
10 см |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
Рисунок 5 – График опытных данных для цилиндра с экраном по оси z.
Цилиндр с экраном по оси y:
Таблица 6: Опытные данные для цилиндра с экраном по оси y.
|
|
|
Цилиндр с экраном (по y) |
|
|
|
|
||||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
U, mV |
z |
24 |
25 |
28 |
30 |
34 |
36 |
36 |
36 |
36 |
|
y |
1,25 |
1,25 |
0,9 |
2,2 |
2,1 |
3 |
3,6 |
3,2 |
3,8 |
||
|
|||||||||||
График опытных данных для цилиндра с экраном по y
U, mV
40
35
30
25 
20
U1(z)
15
U2(y)
10
5
0 
0 2 4 6 8 10 см
Рисунок 6 – График опытных данных для цилиндра с экраном по оси y.
Цилиндр по оси z:
Таблица 7: Опытные данные для цилиндра по оси z.
|
|
|
|
Цилиндр (по z) |
|
|
|
|
|
||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
U, mV |
z |
0,6 |
0,8 |
2,2 |
6,6 |
12 |
16 |
17 |
20 |
21 |
|
y |
0,42 |
0,42 |
0,39 |
0,38 |
0,58 |
0,85 |
1,1 |
1,3 |
1,4 |
||
|
|||||||||||
График опытных данных для цилиндра по z
U, mV
25
20
15
10
U1(z)
U2(y)
5
0
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
см |
Рисунок 7 – График опытных данных для цилиндра по оси z.
Цилиндр по оси y:
Таблица 8: Опытные данные для цилиндра по оси y.
|
|
|
|
Цилиндр (по y) |
|
|
|
|
|
||
см |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
U, mV |
z |
14 |
15 |
21 |
28 |
35 |
36 |
37 |
36 |
35 |
|
y |
1,8 |
2,1 |
2,45 |
2,4 |
3 |
2,8 |
3 |
2,8 |
2,9 |
||
|
|||||||||||
График опытных данных для цилиндра по y
U, mV
40
35
30
25
20
15
U1(z)
U2(y)
10
5
0
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
см
Рисунок 8 – График опытных данных для цилиндра по оси y.
2) АЧХ коэффициента экранирования S(f)
Коэффициент экранирования для оргстекла:
Таблица 9: Опытные данные для оргстекла с рассчитанным коэффициентом экранирования.
|
|
|
Оргстекло |
|
|
|
|
f,кГц |
100 |
50 |
30 |
20 |
10 |
2 |
|
|
z |
24 |
21 |
16 |
12 |
3,6 |
1 |
U,mV |
y |
1,3 |
0,9 |
0,7 |
0,4 |
0,16 |
0,1 |
|
S |
0,0542 |
0,0429 |
0,0438 |
0,0333 |
0,0444 |
0,1 |
АЧХ коэффициента экранирования для оргстекла
S
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
f, кГц
Рисунок 9 – АЧХ коэффициента экранирования для оргстекла.
Коэффициент экранирования для цилиндра:
Таблица 10: Опытные данные для цилиндра с рассчитанным коэффициентом экранирования.
|
|
|
Цилиндр |
|
|
|
|
f,кГц |
100 |
50 |
30 |
20 |
10 |
2 |
|
|
z |
1,4 |
1,5 |
1,7 |
1,8 |
1,7 |
1,7 |
U,mV |
y |
0,62 |
0,7 |
0,6 |
0,47 |
0,26 |
0,25 |
|
S |
0,4429 |
0,4667 |
0,3529 |
0,2611 |
0,1529 |
0,1471 |
АЧХ коэффициента экранирования для цилиндра
S
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
f, кГц
Рисунок 10 – АЧХ коэффициента экранирования для цилиндра.
Вывод: В ходе лабораторной работы было исследовано явление электромагнитного экранирования с применением открытых проводящих оболочек. Построены экспериментальные зависимости U (z) и U (y), а также амплитудно-частотные характеристики коэффициента экранирования. Экспериментально установлено, что механизм экранирования электромагнитного поля открытыми проводящими оболочками основан на возникновении в них индуцированных токов, создающих вторичные поля, направленные противоположно первичному полю, что приводит к эффективной компенсации исходного электромагнитного воздействия в защищаемой области пространства