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.
Медный экран — для экранирования переменных магнитных полей
Если требуется экранировать переменное магнитное поле, то применяют материалы с высокой электропроводностью, такие как медь.
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:
Применение сверхпроводящих экранов
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.