Чем экранировать магнитное поле. Магнитное экранирование

Экранирование магнитного поля

Чем экранировать магнитное поле. Магнитное экранирование

Экранирование магнетиком линий магнитного поля является следствием преломления линий магнитной индукции при переходе из магнетика с одним показателем магнитной проницаемости в магнетик с другим показателем.

Преломление линий индукции магнитного поля

Граница раздела двух веществ, имеющих разные магнитные проницаемости, способна изменять направление линий магнитной индукции. При этом говорят, что линии магнитной индукции преломляются.

Рассмотрим преломление линий магнитной индукции. Для этого возьмем прямоугольный параллелепипед, одно основание его расположим в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_1$, второе – в среде магнитная проницаемость которой $\mu_2$ (рис.1). Определим поток магнитной индукции через поверхность этого параллелепипеда.

Рисунок 1. Преломление линий индукции магнитного поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Поток вектора магнитной индукции через верхнюю грань, рассматриваемого параллелепипеда, равна:

$Ф_2= B_{n2}S (1)$,

где $B_{n2}$ – нормальная составляющая вектора индукции в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_{2}$; $S$ – площадь основания параллелепипеда.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Поток вектора магнитной индукции сквозь нижнюю грань параллелепипеда составляет:

$Ф_1= B_{n1}S (2)$,

где $B_{n1}$ – нормальная составляющая вектора индукции в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_{1}$.

Будем считать, что высота параллелепипеда очень мала, значит, поток индукции через боковую поверхность можно считать бесконечно малым и не учитывать.

Принимая во внимание, теорему Остроградского – Гаусса для магнитного поля, в соответствии с которой полный поток магнитной индукции сквозь замкнутую поверхность всегда равен нулю:

$Ф=\oint {B_{n}dS=0\left( 3 \right).} $

Учитывая сказанное выше и теорему (3), запишем:

$ B_{n2}S- B_{n1}S=0$ (4).

Или

$ B_{n2}= B_{n1}$ (5).

Выражение (5) показывает, что нормальная компонента магнитной индукции является непрерывной.

Рассмотрим нормальные составляющие напряженности магнитного поля в рассматриваемых веществах:

  • $B_{n1}=\mu_{1}\mu_{0}H_{n1}$ (6),
  • $B_{n2}=\mu_{2}\mu_{0}H_{n2}$ (7).

Из выражений (6) и (7) сделаем вывод:

$\frac{H_{n1}}{H_{n2}}=\frac{\mu_{2}}{\mu_{1}}\left( 8 \right)$

Выражение (8) показывает, что нормальные компоненты напряженности поля в разных веществах отличны.

Рисунок 2. Прямоугольный контур. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим прямоугольный контур (рис.2), имеющий бесконечно малую высоту $h$. Одна сторона контура находится в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_{1}$, другое в веществе – $\mu_{2}$. Магнитное напряжение вдоль рассматриваемого контура равно:

$lH_{t2}-lH_{t1}$,

где $l$ – длина стороны контура; $H_{t1}$ и $ H_{t2}$ – составляющие вектора напряженности, касательные к поверхности границы раздела. Считая высоту контура стремящейся к нулю, получим, что площадь контура стремится к нулю, соответственно, стремится к нулю сила тока, который идет через эту поверхность. Тогда, имеем:

$lH_{t2}-lH_{t1}=0 (9)$,

откуда:

$H_{t2}=H_{t1} (10)$,

Выражение (10) означает, что касательные компоненты напряженности магнитного поля при переходе сквозь границу раздела веществ не изменяются.

Касательные составляющие индукции претерпевают скачок:

$\frac{B_{t1}}{B_{t2}}=\frac{\mu_{1}}{\mu_{2}}\left( 11 \right)$.

Формулы (5) и (11) выполняются всегда и отражают граничные условия для магнитного поля. Эти условия аналогичным граничным условиям для магнитного поля.

Из приведенных формул следует закон преломления линий магнитной индукции:

$\frac{tg\, \alpha_{1}}{tg\, \alpha_{2}}=\frac{\mu_{1}}{\mu_{2}}\left( 12\right)$.

где $ \alpha_{1}$ – угол между линиями индукции в первом веществе и перпендикуляром к поверхности раздела; $ \alpha_{2}$ – аналогичный угол во второй среде.

Замечание 1

Если магнетики являются однородными и изотропными, то направления векторов магнитной индукции и напряженности совпадают, следовательно, закон (12) отображает закон преломления линий напряженности.

Из закона преломления следует, что линии индукции, переходя в вещество с большей магнитной проницаемостью, отдаляются от нормали, а это значит, что они сгущаются.

Изображение хода линий магнитной индукции при наличии в поле тела из магнетика

Математическое описание хода линий индукции является сложным даже для тел простой формы. Пусть кусок магнетика имеет форму прямоугольного бруска. Его вносят в однородное магнитное поле. Считаем, что магнитная проницаемость магнетика больше, чем окружающей среды.

Магнетик во внешнем поле намагнитится и станет сам источником поля.

Данное поле будет складываться в каждой точке с начальным однородным полем.

При этом линии как бы притягиваются к параллелограмму, преломляются на его поверхности и походят внутри бруска существенно гуще.

Рисунок 3. Линии магнитной индукции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На рис. 3(а) изображены линии магнитной индукции в шаре из магнетика, который размещают в первоначально однородном поле. В таком случае линии индукции внутри шара проходят как параллельные линии. Шар будет намагничен однородно.

Магнитная экранировка

Разместим в однородном магнитном поле тело с полостью, например, цилиндр. Пусть магнитная проницаемость стенок цилиндра больше, чем у окружающего вещества. В этом случае линии магнитной индукции поля станут сгущаться в стенках цилиндра (рис.3 b).

При этом в полости цилиндра густота линий индукции уменьшается, что означает – магнитное поле внутри цилиндра ослаблено. Цилиндр как бы экранирует свою внутреннюю часть от внешнего магнитного поля.

Определение 1

Явление, при котором оболочка из магнетика с большей магнитной проницаемостью работает как экран, не допускающий проникновения магнитного поля во внутреннее пространство, ограниченное оболочкой, называют экранированием магнитного поля.

Данное обстоятельство используют для конструкций магнитной защиты. Для предохранения чувствительных измерительных приборов от воздействия внешних магнитных полей, эти приборы помещают в замкнутые оболочки из веществ, которые обладают большой магнитной проницаемостью, например, из железа.

Замечание 2

Экраны, которые призваны защитить от магнитных полей, могут поле ослабить, но полностью исключить его не в состоянии, поскольку проводники электричества существуют, а проводников магнетизма нет.

Для характеристики процесса экранирования применяют три базовые параметра:

Эквивалентная глубина проникновения магнитного поля:

$\Delta =0,52\sqrt \frac{\rho }{\mu u } \left( 13 \right)$.

где $\rho$ – удельное сопротивление; $\mu$ – магнитная проницаемость вещества экрана; $u$ – частота поля.

Эффективность экранирования, которую находят делением напряженности магнитного поля без экрана и при наличии экрана.

Уменьшение напряженности магнитного поля и плотности вихревых токов:

$A=A_{0}e{-\frac{x}{x_{0}}}\left( 14 \right)$.

где $A_0$ – напряженность или ток на поверхности экрана; $x_0$ – глубина, где исследуемый параметр уменьшается в $e$ раз.

Электромагнитное экранирование

Чем экранировать магнитное поле. Магнитное экранирование

Электромагнитное экранирование – способ снижения интенсивности электромагнитных волн до заданного уровня с помощью специального материалов, оборудования и технологических решений.

Снижение интенсивности поля необходимо для защиты людей или техники от влияния электромагнитного излучения либо для предотвращения нежелательной утечки информации, которая может переноситься электромагнитным излучением.

Экранирование обеспечивается созданием специальных экранов, от которых излучение может отражаться, в которых оно может поглощаться или рассеиваться, либо комбинацией этих способов.

Экраны образуют замкнутые объемы, которые охватывают или объект защиты от излучения, либо объект, излучение от которого должно быть подавлено.

Кроме того, необходимы специальные решения для ввода в электромагнитный экран или вывода наружу различных линий инженерных или информационных коммуникаций.

Экранирование от ЭМИ – защита людей, техники, информации

Во всех странах законодательно задается допустимый уровень излучения, которому может подвергаться человек без опасения за его здоровье. Применение экранов позволяет снизить потенциально опасные для здоровья уровни излучения до безопасных.

Под воздействием интенсивных полей наблюдаются сбои в работе электроники. Помехи, создаваемые мощными полями, могут вывести из строя интегральные микросхемы и полупроводниковые элементы.

Становится возможным несанкционированный доступ к конфиденциальной информации. Интенсивное излучение позволяет задействовать специальные дистанционные устройства, считывающие данные в процессе работы компьютера. Непроизвольным передатчиком секретной информации может стать любой электронный гаджет, например, смартфон.

Преграду электромагнитному полю создает экран с высокой магнитной или электрической проводимостью, оборудованный вокруг защищаемого пространства или полости. В требуемых случаях экранируют источник излучения, чтобы предотвратить его распространение.

Правильно оборудованный защитный экран позволяет:

  • ограничить негативное воздействие на электронные и радиотехнические устройства;
  • организовать безопасное рабочее место для обслуживающего персонала;
  • исключить несанкционированное проникновение к конфиденциальной информации.

Прежде чем использовать тот или иной метод защиты экранированием, необходимо обследование объекта специалистами для создания проекта.

В ряде случаев необходимо исследовать объект с помощью специального оборудования.

В процессе исследования анализируются частотные параметры ЭМИ, измеряется его уровень в разных точках. Поручив эту процедуру специалистам «НТЦ Фарадей», заказчик получает инструментально точные результаты и квалифицированные рекомендации по организации эффективного экранирования.

От чего зависит эффективность экранирования

Уровень экранирования определяется показателем коэффициента экранирования. Коэффициент экранирования – отношение величин интенсивности электромагнитного поля до экрана и за экраном.

На эффективность действия экрана в совокупности влияют несколько факторов:

  • частотный диапазон электромагнитных полей;
  • степень электропроводимости используемых материалов;
  • показатель магнитной проницаемости материалов;
  • габариты и расположение экрана.

Все эти факторы необходимо учитывать при разработке проекта экранирования для каждого конкретного объекта.

Зависимость экранирования от частотного диапазона

Экранирование полей высокочастотного диапазона основано на отражении и поглощении электромагнитной волны при переходе из одной среды в другую. Электромагнитная волна, взаимодействуя с экраном, частично отражается его поверхностью, частично поглощается материалом экрана. Эти процессы приводят к потере энергии, ослаблению и затуханию волны.

При экранировании низкочастотных полей (так называемые магнитные поля) используют свойства так называемых магнитомягких материалов.

Для экранирования высокочастотных полей основное требование – высокая электропроводность материала экрана и отсутствие отверстий, щелей, плохого контакта элементов экрана. Даже небольшое отверстие при короткой длине волны превращается в так называемую щелевую антенну, в итоге пропускающую излучение через экран.

Элементы и сырье для экранирования

В производстве защитных экранов используются разнообразные материалы. Средством экранирования могут служить листовая медь, алюминий, сталь или фольга, а также современные специализированные ткани и сетки.

Чем выше удельная проводимость материала экрана, тем эффективнее экранирование.

Конкретное значение защитных способностей экрана зависит от конфигурации и объема помещения, площади оконных и дверных проемов, материала стен.

Для электромагнитного экранирования входящих/выходящих коммуникационных линий от помех извне и паразитных токов в систему интегрируются специальные фильтры.

Сырьем для изготовления экранирующих конструкций и приспособлений служат:

  • стальные и медные пластины — для сооружения корпусов, камер, внутренней облицовки помещений;
  • тонкая фольга из мягкомагнитных сплавов – защита аппаратуры;
  • металлические ленты и оплетки – экранирование кабелей;
  • металлизированные шланги – защита кабельных жгутов;
  • металлические соты – для организации экранов с воздухопроницаемыми свойствами;
  • тонкая проволочная сетка – экранирование оконных проемов.

Надежное и качественное экранирование помещений и оборудования невозможно обеспечить без тщательного уплотнения оконных и дверных проемов, строительных стыков, всевозможных щелей и отверстий. В этих целях используются специальные материалы, которые в достаточной степени обладают такими качествами, как:

  • проводимость;
  • формуемость;
  • устойчивость к ЭМП разной интенсивности;
  • низкий уровень контактного сопротивления.

Данным требованиям соответствуют уплотнители, выполненные на основе силиконового каучука. Используются в экранах виде трубок, пластинок, кольцевидных шнуров.

Электромагнитная безопасность от «НТЦ Фарадей»

Создание условий для электромагнитной безопасности помещений, особенно в отношении защиты информации необходимо предусматривать на стадии проектных разработок.

Технологии и материалы, используемые компанией «НТЦ Фарадей», позволяют выполнять качественное электромагнитное экранирование, как на стадии возведения объекта, так и уже существующих помещений, которые изначально не предназначались под специальное использование.

Специалисты компании разработают и реализуют уникальный проект экранов любой сложности по заказу и  техзаданию заказчика:

  • цельносварные камеры и сборно-разборные камеры с требуемыми заказчику размерами;
  • экранирующие ворота и двери;
  • экраны-фильтры для оптоволокна;
  • специализированные стекла для отдельного наблюдения;
  • защитные материалы по линии ЭМС;
  • электрические фильтры (силовые и сигнальные);
  • вентиляционные фильтры.

Выполняется тестирование и постоянная техническая поддержка в процессе эксплуатации защитных систем электромагнитного экранирования.

Часть 1.Тестирование материала для экранирования переменных магнитных полей

Чем экранировать магнитное поле. Магнитное экранирование

В настоящее время существует огромная проблема экранирования магнитных полей (МП), как постоянных, так и переменных. Ряд трансформаторных подстанций, щитовых, сильных постоянных магнитов, различных датчиков требуют экранирования специальными материалами.

Большинство экранирующих материалов (краска, ткань, сетка, пленка) не способны снижать МП даже на незначительную величину из-за другой природы формирования и распространения самого МП.

Во многих источниках часто встречается информация о возможности применения ферритов, медных сплошных экранов, специальных аморфных и нанокристаллических сплавов, пермаллоев, но практически нигде не предоставляется информация о самих коэффициентах экранирования магнитных полей.

Сотрудники нашей компании решили на практике проверить свойства ряда материалов (применительно для использования на больших и малых объектах).

Пермаллои не рассматриваем из-за снижения их магнитных свойств при механических деформациях. Ферриты применять на практике еще сложнее.

Ориентировать нужным образом цилиндр или куб из меди в помещении крайне проблематично. Остаются материалы из аморфных и нанокристаллических сплавов.

Немного об аморфных сплавах.

Данные материалы создаются методом быстрого охлаждения (путем распыления расплавленного металла на быстро вращающийся барабан-холодильник) и пропускания фазы кристаллизации материала, за счет чего твердое готовое вещество принимает структуру, очень похожую на лед. Для некоторых сплавов (уже отвердевших), для приобретения ими требуемых магнитных свойств, требуется дополнительная термическая обработка и/или перемагничивание.

В данной части пойдет речь об испытании на практике ряда изделий из аморфных и нанокристаллических сплавов в переменных магнитных полях на уровнях от 500 нТл до 20 мкТл на ряде частот от 16 Гц до 300 кГц.

Работу в постоянных МП мы будем оценивать позже.

Скажем сразу, что мы не являемся профессорами и академиками в области изучения МП, но имеем хорошее представление о природе происхождения и распространения МП и делимся своими наработками в этой сфере.

Ряд производителей предоставляют готовые решения для экранирования переменных МП в виде рулонных материалов шириной 50-65 см в широком ценовом диапазоне. Их изделия имеют свои особенности, которые опишем ниже.

Нами был собран испытательный стенд, который имел в своем составе следующие узлы:

  • Источник питания постоянного тока (для формирования уровня выходного сигнала);
  • Генератор сигнала, совмещенный с осциллографом Rigol DS1074Z-S (для формирования синусоидального сигнала требуемой частоты и его последующего контроля);
  • Усилитель сигнала низкой частоты;
  • Катушка индуктивности;
  • Измерительный прибор NFA1000 (для контроля уровня МП и его направленности)
  • Экранированный ящик (из 5 слоев ленты, изготовленной из аморфных сплавов);
  • Образец тестируемого материала.

За счет изменения уровня выходного напряжения на источнике питания, мы получали различный уровень МП на катушке индуктивности. Генератором сигналов задавали необходимую несущую частоту. Осциллографом контролировали сформированный сигнал. Измерительный прибор помещался напротив сердечника катушки в экранированном коробе. При проведении измерений, тестируемый образец материала (1 и 2 слоя) одевался на короб, создавая преграду для прохождения силовых линий МП.

В процессе тестирования был обнаружен один интересный эффект – дополнительный отжиг аморфного и нанокристаллического сплава практически никак не влиял на увеличение коэффициента экранирования.

Главным определяющем критерием на коэффициент экранирования была относительная начальная магнитная проницаемость самого материала. Температурный отжиг в теории повышает начальную магнитную проницаемость до 5-15 раз, что должно повышать экранирующие свойства, но этого не происходит.

Причем после отжига, резко повышается хрупкость самого материала, что сильно ограничивает его дальнейшее применение на практике (зачастую невозможно согнуть без излома).

В качестве испытуемых материалов были выбраны МАР 1К (Санкт-Петербург), MCL61 (Германия), ММР-50 (собственное производство).

Вместе с МАР 1К мы испытаем исходное сырье, не прошедшее дополнительного отжига (скорее всего МАР 1К проходил дополнительную термическую обработку из-за чего стал очень хрупким) и сравним их характеристики.

Так же сравним ММР-50 (не проходит дополнительную термическую обработку) и термообработанный материал и, по возможности, снимем видео обзор.

ММР-50 – оптимальное отношение цена/эксплуатационные характеристики

Муки выбора исходного сырья были очень долгими. С материалом было проведено много различных манипуляций (и температурная обработка, и перемагничивание, и т.д). В итоге сделан тестовый образец, который получил такую номенклатуру и проходит в настоящий момент испытания на предмет определения коэффициента ослабления переменных магнитных полей.

Основной задачей является максимальное подавление МП промышленной частоты (50 Гц) и основных гармоник (100, 150 Гц). Изделие собрано из лент аморфного сплава, имеющих толщину около 30 микрон. Максимальное ослабление достигается при полной изоляции (укрытии) защищаемого объекта или источника МП.

Хочется отметить, что ММР-50 практически не работает в сильных полях, имеющих уровень свыше 300 мТл (за счет относительно низкого уровня индукции насыщения). Этим свойством обладают все наши вышеперечисленные аналоги. Для сведения: при решении большинства задач, уровень МП не превышает и 1 мТл.

Для максимально точного определения коэффициента экранирования будем проводить по 3 замера каждой контрольной точки и выводить усредненное значение по ним. Даже малейшая щель между экранированным коробом и образцом дает сильное падение коэффициента ослабления, поэтому и увеличиваем число измерений.

В следующей части обзора представлены графики на конкретных частотах тестирования. На графиках представлены зависимости коэффициента ослабления от уровня внешнего магнитного поля в пределах 500 нТл…20 мкТл. В процессе дополнения данных, будем их размещать и делать по ним заметки.

Для начала приведем зависимость уровня магнитной индукции на частоте 50 Гц от расстояния до излучающей катушки (источника).

Из данного графика можно сделать вывод, что основным средством по уменьшению уровня МП является увеличение расстояния до источника.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.