Лабораторная работа №12

8

ГОСКОМВУЗ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СПбГЭТУ

КАФЕДРА ТОЭ

Электромагнитное экранирование.

Отчет по лабораторной работе №12

Студент гр.4221 Шамин Д. А.

Преподаватель Морозов В. В.

1996

Электромагнитное экранирование.

Цель работы: исследование экранирующего действия проводящих коротких тонкостенных цилиндров и прямоугольных пластин в переменном электромагнитном поле.

Основные теоретические положения.

Экранирование электромагнитного поля открытыми проводящими оболочками возможно за счет индуцирования в них токов, создающих в них встречные компенсирующие поля.

На основании закона электромагнитной индукции электродвижущая сила, наводимая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур: e = - d Ф / d t , где e — ЭДС, наводимая в контуре; Ф — магнитный поток, проходящий через поверхность, опирающуюся на этот контур.

Знак “минус” в правой части уравнения показывает, что возникающая в контуре ЭДС вызывает в нем ток такого направления, при котором создаваемый им вокруг контура вторичный магнитный поток препятствует изменению первичного магнитного поля. В результате внутри контура внешний первичный магнитный поток ослабляется встречным вторичным магнитным потоком. Ослабление поля зависит от сопротивления контура. В разомкнутом контуре ток и, следовательно, ослабление отсутствуют. На высоких частотах сопротивление проводящего замкнутого 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 S определяется как отношение напряженности H_i магнитного поля внутри экрана к напряженности H₀ внешнего магнитного поля: S = H_i /H₀ . На высоких частотах коэффициент S стремится к нулю. В этом случае встречный магнитный поток внутри экрана полностью компенсирует внешний первичный 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 уменьшается быстрее, чем сопротивление контура, вихревые токи и, следовательно, встречный магнитный поток ослабляются, а коэффициент экранирования стремится к единице.

Качественная зависимость модуля коэффициента экранирования от частоты — амплитудно-частотная характеристика — приведена на рис. 1, а картины магнитных полей исследуемых в работе экранов — на рис. 2.

Экспериментальная установка.

В работе исследуется экранирующее действие не замкнутого на торцах латунного цилиндра, такого же цилиндра с продольным разрезом и 2^х параллельных прямоугольных пластин.

Однородное магнитное поле в ограниченной области пространства создается двумя коаксиальными плоскими катушками Гельмгольца, расположенными на расстоянии, равном радиусу, при одинаковом направлении токов в их обмотках (рис. 3).

Напряженность магнитного поля в центре данного устройства H₀ = 0.7 I n / r₀ , где I — действующее значение тока; n = 10 — число витков катушки; r₀ =0.15 м — средний радиус обмотки. В области x=y=z=r₀/3 поле можно считать однородным, совпадающим с H₀ с точностью до 1.5 %.

Последовательно соединенные катушки Гельмгольца подключены к генератору (рис. 4). Экраны, укрепленные на специальных стержневых подставках, вносятся в область однородного магнитного поля. При этом отдельно исследуются два режима, когда вектор H₀ параллелен стенкам экрана (продольное поле) и перпендикулярен им (поперечное поле).

Для измерения напряженности магнитного поля используются две миниатюрные плоские катушки К₁ и К_2­ , расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Катушки вмонтированы в цилиндрический держатель из оргстекла. На его корпусе нанесена шкала, позволяющая определять расстояние от точки О (центр экрана) до точки наблюдения. Катушка К₁ измеряет составляющую вектора напряженности магнитного поля, направленную параллельно оси цилиндрического держателя, катушка К₂ — вдоль его радиуса.

Индуцированные в измерительных катушках напряжения регистрируются микроселективным вольтметром. На его входном зажиме размещена плата П с двумя выводами для последовательного подключения катушек К₁ и К₂. При измерении магнитного поля с помощью катушки К₂ необходимо держатель повернуть так, чтобы показания индикатора микроселективного вольтметра были максимальными.

Экспериментальные данные.

N=20, a₁=130 A/м В , a₂=220 А/м В, С=1220 пФ, f=100 кГц. При простом диэлектрике поле однородно.

Цилиндр
0	z	0	1	2	3	4		5	6	7	8	9	10
	U (z) ,mV	1,9	3,3	8,9	22	41		53	59	62	63	63	60
90	y	0	1	2	3	4		5	6	7	8	9	10
	U (y) ,mV	1,9	2,3	2,7	3,8	3,5		1,6	2	2	1,5	1,3	1
Распиленный цилиндр
	0	z	0	1	2	3	4		5	6	7	8	9	10
		U (z) ,mV	70	70	69	69	69		69	68	68	68	64	62
90	y	0	1	2	3	4		5	6	7	8	9	10
	U (y) ,mV	1,3	1,1	1	1,4	1,8		1,8	1,4	1	1,3	1,3	1
Параллельные пластины
	0	z	0	1	2	3	4		5	6	7	8	9	10
		U (z) ,mV	71	70	70	70	69		68	68	67	65	64	61
90	y	0	1	2	3	4		5	6	7	8	9	10
	U (y) ,mV	1	0,7	0,8	0,9	1,8		2	2,8	3	3,8	3,5	4
Определение АЧХ
		f ,кГц	100	50	30	20	10		2
	U (z) ,мкВ	1,80E+03	100	37	100	10		2
z=7
f ,кГц	100	50	30	20	10	2
U (z), мкВ	60000	2000	400	2600	36	2,5
f ,кГц	50	22,5	20	8,6	2
U ,mV	8	6,4	8,4	1,3	2
U ,mV	0,71	0,96	1,7	0,55	1,8
/S/	0,08875	0,15	0,2	0,42	0,9

Выводы

В данной работе мы исследовали экранирующие действия проводящих коротких тонкостенных цилиндров и прямоугольных пластин в переменном электромагнитном поле. Мы убедились, что экранирование электромагнитного поля открытыми проводящими оболочками возможно за счет индуцирования в них токов, создающих в них встречные компенсирующие поля. Экспериментально полученные данные подтвердили теоретические выводы о том, что на высоких частотах коэффициент экранирования стремится к нулю, а на низких к единице. Это объясняется тем, что на высоких частотах встречный магнитный поток внутри экрана полностью компенсирует внешний первичный магнитный поток, а на низких реактивное индуктивное сопротивление контура становится соизмеримым с активной составляющей сопротивления, определяемой тепловыми потерями в контуре. В результате ЭДС уменьшается быстрее, чем сопротивление контура, вихревые токи и, следовательно, встречный магнитный поток ослабляются.