Магнитостатическое экранирование

Вокруг витка с постоянным током существует постоянной магнитное поле с напряженностью Hо зависящее от точки измерения (рис. 1).

Окружим виток замкнутым экраном. Если экран изготовлен из немагнитного материала, т.е. из материала у которого э=1 (медь, алюминий), то он не окажет на магнитное поле ни какого влияния, т.е. эффективность экранирования в установившимся режиме будет равна 1 (рис. 2).

Рис. 1. Поле витка с Рис. 2. Экранирование витка

постоянным током. с током и  э= 1.

 

Если экран изготовлен из магнитного материала э>1, то он намагнитится и созданное им вторично поле, сложившись с первичным приведет к ослаблению поля внутри экрана (рис. 3). То есть силовые линии поля витка, встречая экран, обладающий меньшим магнитным сопротивлением, чем свободное пространство, стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшей степени проникают в пространство внутри экрана.

Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия внешнего магнитного поля или для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана.

Магнитостатическое экранирование используется при необходимости подавить наводки на низких частотах от 0 до 3...10 кГц.

Основные требования, предъявляемые к магнитостатическим экранам, можно свести к следующим:

- магнитная проницаемость э материала экрана должна быть возможно более высокой. Для изготовления экранов желательно применять магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллой);

- увеличение толщины стенок экрана приводит к повышению эффективности экранирования, однако при этом следует принимать во внимание возможные конструктивные ограничения по массе и габаритам экрана;

- стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно линиям магнитной индукции магнитного поля. Их число должно быть минимальным;

- заземление экрана не влияет на эффективность магнитостатического экранирования.

В качестве материалов для магнитных экранов используют сплавы с высокой магнитной проницаемостью (магнитомягкие материалы) типа пермаллоя и аморфные сплавы.

Пермаллои, относящиеся к группе ковких сплавов, хорошо обрабатываются резанием и штамповкой. По своему составу пермаллои делятся на низконикелевые (40-50 % – Ni, 60-50 % Fe) и высоконикелевые (72-80 % – Ni, 28-20 % Fe,). Для улучшения электромагнитных и технологических свойств пермаллои часто легируют молибденом, хромом, кремнием, кобальтом, медью и другими элементами. Однако свойства этих экранов изменяются под влиянием механических воздействий.

Экраны, изготовленные из аморфных сплавов, не чувствительны к ударам и изгибам. Например, для экранирования кабелей в аппаратуре, установленной на борту космических кораблей класса «Вояджер» использовалась ткань «Метшильд», изготавливавшаяся из аморфного сплава Fe – 40%, Ni – 40%, P – 14%, B – 6% в виде ленты шириной 1,5 мм и толщиной 58 мкм. Экранирующая способность данной ткани превосходит характеристики для аналогичных экранов из пермаллоя в 1,5-2 раза и не меняются после механических воздействий.

Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.

Экранирование высокочастотного магнитного поля основано на использовании магнитной индукции, создающей в экране переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов внутри экрана будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным внутри экрана и усиленным вне его. Вихревые токи в экране распределяются неравномерно по его сечению (толщине). Это вызывается явлением поверхностного эффекта, сущность которого заключается в том, что переменное магнитное поле ослабевает по мере проникновения в глубь металла, так как внутренние слои экранируются вихревыми токами, циркулирующими в поверхностных слоях.

Благодаря поверхностному эффекту плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону.

Данный способ экранирования представлен на рисунке 4.

Эффективность магнитного экранирования зависит от частоты и электрических свойств материала экрана. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения одного и того же экранирующего эффекта. Для высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5 ... 1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует учитывать механическую прочность, жесткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр.

Для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленка толщиной более 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием.