Экранирование — это процесс, используемый для защиты устройств и систем от внешних электромагнитных помех и воздействия. Существует несколько типов экранирования, каждый из которых применяется в различных областях. Виды экранирования.
Экранирование в этой области направлено на снижение влияния внешних электромагнитных полей на электрические и радиотехнические устройства. Это достигается с помощью заземленных металлических или металлизированных экранов, которые могут быть сплошными (например, из листовой стали) или сетчатыми (из медной или стальной проволоки). Экраны создают вихревые токи, которые компенсируют внешние воздействия, обеспечивая защиту от помех.
Для снижения в определенной области пространства напряженности магнитного поля постоянного магнита или низкочастотного переменного магнитного поля переменных токов, - применяют магнитное экранирование. В сравнении с электрическим полем, которое довольно легко экранируется применением клетки Фарадея, магнитное поле полностью экранировать нельзя, его можно лишь до определенной степени ослабить в каком-то конкретном месте.
Практически, в целях научных исследований, в медицине, в геологии, в некоторых технических областях связанных с космосом и атомной энергетикой, часто экранируют очень слабые магнитные поля, индукция которых редко превышает 1 нТл.
Речь идет как о постоянных магнитных полях, так и о переменных магнитных полях широкого частотного диапазона. Индукция магнитного поля Земли, например, в среднем не превышает 50 мкТл, такое поле вместе с высокочастотными шумами проще ослабить путем магнитного экранирования.
Что же касается экранирования магнитных полей рассеяния в силовой электронике и электротехнике (постоянные магниты, трансформаторы, цепи высокого тока), то здесь бывает достаточно просто локализовать значительную часть магнитного поля, а не пытаться убрать его полностью. Ферромагнитный экран — для экранирования постоянных и низкочастотных магнитных полей
Первый и наиболее простой способ экранирования магнитного поля — применение ферромагнитного экрана (кожуха) в форме цилиндра, листа или сферы. Материал такого кожуха должен обладать высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.
Когда подобный экран помещается во внешнее магнитное поле, то магнитная индукция в ферромагнетике самого экрана оказывается сильнее чем внутри экранируемой области, где индукция получится соответственно меньше.
Рассмотрим пример с экраном в форме полого цилиндра.
На рисунке видно, что линии индукции внешнего магнитного поля, проникая в стенку ферромагнитного экрана, сгущаются внутри нее, а непосредственно в полости цилиндра линии индукции окажутся поэтому более разряженными. То есть внутри цилиндра магнитное поле останется минимальным. Для качественной реализации требуемого эффекта, применяют ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как пермаллой или мю-металл.
Кстати, простое утолщение стенки экрана — не лучший способ повысить его качество. Значительно эффективнее действуют многослойные ферромагнитные экраны с промежутками меду составляющими экран слоями, где коэффициент экранирования будет равен произведению коэффициентов экранирования для отдельных слоев — качество экранирования многослойного экрана будет лучше чем эффект от сплошного слоя толщиной равной сумме упомянутых слоев.
Благодаря многослойным ферромагнитным экранам возможно создание магнитозащищенных комнат для различных исследований. Наружные слои таких экранов изготавливаются в этом случае из ферромагнетиков насыщающихся при больших величинах индукции, тогда как внутренние их слои делаются из мю-металла, пермаллоя, метгласса и т. д. - из ферромагнетиков, насыщающихся при меньших значениях магнитной индукции.
«
Подписывайтесь на наши каналы в Telegram:
Школа для электрика и Электрика, электромонтажные работы
Медный экран — для экранирования переменных магнитных полей
Если требуется экранировать переменное магнитное поле, то применяют материалы с высокой электропроводностью, такие как медь.
Медные экраны являются важным инструментом для защиты от переменных магнитных полей благодаря своей способности создавать компенсирующие магнитные поля и эффективно снижать уровень помех.
В этом случае изменяющееся внешнее магнитное поле наведет в проводящем экране индукционные токи, которые охватят пространство защищаемого объема, причем направление магнитных полей этих индукционных токов в экране будет противоположно внешнему магнитному полю, защита от которого таким образом устраивается. Следовательно внешнее магнитное поле окажется частично скомпенсировано.
При этом чем выше частота токов — тем выше и коэффициент экранирования. Соответственно, для более низких частот, а тем более для постоянных магнитных полей, более всего подходят экраны ферромагнитные.
Коэффициент экранирования К, в зависимости от частоты переменного магнитного поля f, размера экрана L, проводимости материала экрана и его толщины d, - приблизительно можно найти по формуле:
Медные экраны обеспечивают эффективное создание вихревых токов, что способствует высокому уровню экранирования. Эффективность экранирования увеличивается с ростом частоты переменных токов.
«
Подписывайтесь на наши каналы в Telegram:
Школа для электрика и Электрика, электромонтажные работы
Применение сверхпроводящих экранов
Сверхпроводники могут служить эффективными отражающими экранами для электромагнитных волн. Они создают переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко), которые генерируют магнитное поле, направленное против внешнего поля, тем самым ослабляя его внутри экрана. Это свойство особенно эффективно при высоких частотах, начиная с 1 кГц.
Как известно, сверхпроводник способен полностью вытеснить из себя магнитное поле. Данное явление известно как эффект Мейснера. Согласно правилу Ленца, любое изменение магнитного поля в сверхпровднике порождает индукционные токи, которые своими магнитными полями компенсируют изменение магнитного поля в сверхпроводнике.
Если сравнить с обычным проводником, то в сверхпроводнике индукционные токи не затухают, и поэтому способны оказывать компенсирующее магнитное действие бесконечно (теоретически) долго.
Недостатками метода можно считать высокую его стоимость, наличие внутри экрана остаточного магнитного поля, которое было там до перехода материала в сверхпроводящее состояние, а также чувствительность сверхпроводника к температуре. При этом критическая магнитная индукция для сверхпроводников может достигать десятков тесла.
Активный компенсационный метод экранирования
Для уменьшения внешнего магнитного поля можно специально создать дополнительное магнитное поле, равное по величине, но противоположное по направлению внешнему магнитному полю, от которого необходимо экранировать определенную область.
Это достигается применением специальных компенсирующих катушек (катушек Гельмгольца) — пара одинаковых соосно расположенных катушек с током, которые разносятся на расстояние радиуса катушки. Между такими катушками получается достаточно однородное магнитное поле.
Чтобы добиться компенсации по всему объему заданной области пространства, нужно минимум шесть таких катушек (три пары), которые размещаются в соответствии с конкретной задачей.
Типичные применения такой компенсационной системы — защита от низкочастотных помех, порождаемых электрическими сетями (50 Гц), а также экранирование магнитного поля Земли.
Обычно системы данного типа работают совместно с датчиками магнитного поля. В отличие от магнитных экранов, уменьшающих магнитное поле вместе с шумами внутри всего объема ограниченного экраном, активная защита с применением компенсационных катушек позволяет устранить магнитные помехи лишь в локальной области, на которую она настроена.
Однако, независимо от конструкции системы защиты от магнитных помех, любая из них нуждается в антивибрационной защите, так как вибрация экрана и датчика способствует порождению самим вибрирующим экраном дополнительных магнитных помех.
Активное экранирование используется для защиты жилых помещений от магнитных полей, создаваемых воздушными линиями электропередачи. Это особенно актуально для снижения индукции до безопасных уровней.
В медицинских устройствах, таких как МРТ, активное экранирование помогает уменьшить влияние внешних магнитных полей на качество изображений и безопасность пациентов.
В лабораториях активное экранирование применяется для защиты чувствительных измерительных приборов от электромагнитных помех, что критично для точности экспериментов.
Активный компенсационный метод экранирования становится все более актуальным в условиях растущих требований к защите от электромагнитных помех и безопасности в различных сферах деятельности.
Вопросы и ответы: Экранирование магнитных полей
Вопрос: Можно ли полностью заблокировать магнитное поле, как это делается с электрическим полем?
Ответ: Нет, в отличие от электрического поля, которое легко экранируется клеткой Фарадея, магнитное поле нельзя убрать полностью. Его можно лишь существенно ослабить или локализовать в определенной области.
Вопрос: Какой материал лучше всего подходит для экранирования постоянного магнита?
Ответ: Для постоянных или низкочастотных полей используются ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой (например, пермаллой или мю-металл). Экран из такого материала «втягивает» в себя линии магнитного поля, сгущая их внутри своих стенок, оставляя внутреннюю полость защищенной.
Вопрос: Почему для защиты от переменных полей используют медь, ведь она не магнитится?
Ответ: Медь обладает высокой электропроводностью. В переменном магнитном поле в медном экране возникают индукционные (вихревые) токи. Эти токи создают собственное магнитное поле, которое направлено против внешнего и компенсирует его. Этот метод эффективен только для изменяющихся во времени полей.
Вопрос: Что эффективнее: один толстый экран или несколько тонких?
Ответ: Многослойный экран с воздушными промежутками значительно эффективнее одного сплошного экрана той же суммарной толщины. Коэффициент экранирования в таком случае равен произведению коэффициентов отдельных слоев.
Вопрос: Что такое активное экранирование?
Ответ: Это метод, при котором не используется пассивный барьер, а создается встречное магнитное поле. Специальные катушки (например, катушки Гельмгольца) генерируют поле, равное по силе, но противоположное по направлению паразитному полю, тем самым «обнуляя» его в нужной точке.
Вопрос: Зачем используются сверхпроводящие экраны?
Ответ: Сверхпроводники используют «эффект Мейснера» - способность полностью вытеснять из себя магнитное поле. Индукционные токи в них не затухают, обеспечивая идеальную защиту. Однако это дорогой метод, требующий низких температур, и применяется он в основном в науке и медицине (например, в МРТ).
Вопрос: От чего зависит эффективность медного экрана?
Ответ: Эффективность зависит от толщины экрана, проводимости материала и, главное, от частоты поля. Чем выше частота внешнего поля, тем лучше работает медный экран.
Вопрос: Почему в многослойных экранах для внешнего слоя используют электротехническую сталь, а для внутреннего - пермаллой, а не наоборот?
Ответ: Это связано с явлением магнитного насыщения. Внешнее поле может быть достаточно сильным, и пермаллой (обладая очень высокой проницаемостью, но низкой индукцией насыщения) быстро войдет в насыщение и перестанет «втягивать» в себя линии поля, став для них «прозрачным». Поэтому внешний слой делают из электротехнической стали (или железа) - она принимает на себя основной «удар» сильного поля, ослабляя его до уровня, приемлемого для работы внутренних слоев. Внутренний же слой из пермаллоя эффективно «дочищает» остаточное слабое поле благодаря своей гигантской магнитной проницаемости.
Вопрос: Почему для экранирования высокочастотных полей толщина медного экрана перестает играть решающую роль после определенного предела?
Ответ: Здесь вступает в силу скин-эффект. Вихревые токи, которые и обеспечивают экранирование в немагнитных проводниках, на высоких частотах вытесняются на поверхность материала. Глубина их проникновения (скин-слой) уменьшается с ростом частоты. Если толщина экрана значительно превышает глубину скин-слоя для данной частоты, дальнейшее утолщение стенки практически не улучшает экранирующие свойства, так как ток течет только в тонком поверхностном слое.
Вопрос: В чем заключается главная проблема активных систем компенсации (катушек Гельмгольца) при работе с быстроменяющимися импульсными помехами?
Ответ: Главное ограничение - инерционность системы обратной связи и индуктивность самих компенсирующих катушек. Датчик поля должен зафиксировать изменение, передать сигнал контроллеру, который затем должен изменить ток в катушках. Весь этот процесс занимает время. Если помеха носит резкий, импульсный характер (имеет широкий спектр частот), система может не успеть сформировать противофазное поле вовремя. Более того, из-за задержки реакции (фазового сдвига) система может вместо подавления начать усиливать помеху или даже самовозбудиться (войти в резонанс). Поэтому активное экранирование идеально для статических или медленно меняющихся полей (например, 50 Гц), но плохо работает с быстрыми транзиентами.
Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала УО Белорусский государственный технологический университет "Гомельский государственный политехнический колледж"