Екранування магнітного поля: принципи і матеріали. Відносна магнітна проникність матеріалів

Електромагнітні екрани знаходять широке застосування в промисловості. Вони служать для усунення шкідливого впливу одних елементів електричного пристрою на інші, для захисту персоналу і обладнання від впливу зовнішніх полів, які виникають при роботі інших пристроїв. «Гасіння» зовнішнього магнітного поля при створенні лабораторій, призначених для наладки і випробувань високочутливої техніки. Воно також потрібно в медицині і тих областях науки, де проводиться вимірювання полів з надмалою індукцією; для захисту інформації при її передачі по кабелях.

Методи

Екранування магнітного поля – це сукупність способів зниження напруженості постійного або змінного поля в певній області простору. Магнітне поле, на відміну від електричного, повністю послабити не можна.

У промисловості найбільше вплив на навколишнє середовище чинять поля розсіювання, що виникають при роботі трансформаторів, постійних магнітів, потужнострумових установок і ланцюгів. Вони можуть повністю порушувати нормальну роботу сусідніх приладів.

Найчастіше використовується 2 методи захисту:

• Застосування екранів, виготовлених з надпровідних або феромагнітних матеріалів. Це ефективно при наявності постійного або низькочастотного магнітного поля.
• Компенсаційний спосіб (гасіння вихровими струмами). Вихрові струми – це об’ємні електричні струми, які виникають в провіднику при зміні магнітного потоку. Даний спосіб показує найкращі результати для високочастотних полів.

Принципи

Принципи екранування магнітного поля засновані на закономірностях розповсюдження магнітного поля в просторі. Відповідно для кожної з перерахованих вище методик вони полягають у наступному:

Якщо помістити котушку індуктивності в кожух, зроблений з феромагнетика, то лінії індукції зовнішнього магнітного поля пройдуть по стінках захисного екрана, так як він має меншу магнітне опір порівняно з простором усередині нього. Ті силові лінії, які наводяться самої котушкою, також майже всі замкнуться на стінки кожуха. Для найкращого захисту в цьому випадку необхідно вибирати феромагнітні матеріали, що володіють високою магнітною проникністю. На практиці найчастіше використовують сплави заліза. Для того щоб підвищити надійність екрану, його виготовляють толстостенным або збірним з декількох кожухів. Недоліками такої конструкції є її важкість, громіздкість і погіршення екранування при наявності швів і розрізів в стінках кожуха.

Основні характеристики

Для опису процесу екранування застосовуються 3 основні характеристики:

• Еквівалентна глибина проникнення магнітного поля. Отже, продовжимо. Цей показник використовується для екрануючого ефекту вихрових струмів. Чим менше його значення, тим вище струм, що протікає в поверхневих шарах захисного кожуха. Відповідно, тим більше наводимое ним магнітне поле, яке витісняє зовнішнє. Еквівалентна глибина визначається за формулою, зазначеною нижче. У цій формулі ρ і μr – питомий опір і відносна магнітна проникність матеріалу екрана відповідно (одиниці виміру першої величини – Ом∙м); f – частота поля, яка вимірюється в МГц.
• Ефективність екранування e – відношення напруженості магнітного поля в экранируемом просторі при відсутності і наявності екрана. Дана величина тим вище, чим більше товщина екрана і магнітна проникність його матеріалу. Магнітна проникність – це показник, що характеризує, у скільки разів індукція в речовині відрізняється від такої у вакуумі.
• Зменшення напруженості магнітного поля і щільності вихрових струмів на глибині x від поверхні захисного кожуха. Показник розраховують за формулою, наведеною нижче. Тут А0 – значення на поверхні екрана, x0 – глибина, на якій напруженість або щільність струмів зменшується в e раз.

Конструкції екранів

Захисні кожухи для екранування магнітного поля можуть бути зроблені в різних конструктивних виконаннях:

• листові і масивні;
• у вигляді порожнистих трубок і кожухів з циліндричним або прямокутним перетином;
• одношарові і багатошарові, з повітряним прошарком.

Так як розрахунок числа шарів досить складний, то цю величину найчастіше вибирають по довідниках, по кривим ефективності екранування, які були отримані експериментальним шляхом. Розрізи і шви в коробах допускається виконувати тільки уздовж ліній вихрових струмів. В іншому разі зменшується екрануючий ефект.

На практиці отримати високий коефіцієнт екранування складно, оскільки завжди необхідно робити отвори для кабельного вводу, вентиляції і обслуговування установок. Для котушок безшовні кожухи виготовляють методом листового видавлювання, а як знімної кришки служить дно циліндричного екрану.

Крім цього, при контакті елементів конструкції із-за нерівностей поверхні утворюються щілини. Для того, щоб їх ліквідувати, застосовують механічні притиски або прокладки з провідних матеріалів. Вони випускаються різних розмірів та з різними властивостями.

Вихрові струми – це струми які значно менше поширені, але вони здатні перешкоджати проникненню магнітного поля через екран. При наявності великої кількості отворів в кожусі зниження коефіцієнта екранування відбувається по логарифмічній залежності. Його найменше значення спостерігається при технологічних отворах великого розміру. Тому рекомендується проектувати кілька дрібних отворів, ніж одне велике. Якщо необхідно застосовувати стандартизовані отвори (для вводу кабелів і інших потреб), то використовують позамежні хвилеводи.

У магнитостатическом полі, створюваному постійними електричними струмами, робота екрана полягає в шунтуванні силових ліній поля. Захисний елемент встановлюється на максимально близькій відстані до джерела. Заземлення при цьому не вимагається. Ефективність екранування залежить від магнітної проникності і товщини матеріалу екрана. В якості останніх застосовують сталі, пермалой і магнітні сплави з високою магнітною проникністю.

Екранування кабельних трас в основному виконують двома методами – використанням кабелів з екранованою або захищеної кручений парою і укладанням кабелепроводов в алюмінієвих коробах (або вставках).

Надпровідні екрани

Робота надпровідних магнітних екранів заснована на ефект Мейснера. Це явище полягає в тому, що тіло, що знаходиться в магнітному полі, переходить в надпровідний стан. При цьому магнітна проникність кожуха стає рівною нулю, тобто він не пропускає магнітне поле. Воно повністю компенсується в обсязі даного тіла.

Перевагою таких елементів є те, що вони набагато ефективніше, захист від зовнішнього магнітного поля не залежить від частоти, а компенсаційний ефект може тривати як завгодно довго. Однак на практиці ефект Мейснера не буває повним, оскільки в реальних екранах, виконаних з надпровідних матеріалів, завжди присутні структурні неоднорідності, які призводять до захоплення магнітного потоку. Даний ефект є серйозною проблемою для створення кожухів з метою екранування магнітного поля. Коефіцієнт ослаблення магнітного поля тим більше, чим вище хімічна чистота матеріалу. В експериментах найкращі показники відзначені у свинцю.

Іншими недоліками надпровідникових матеріалів для екранування магнітного поля є:

• висока вартість;
• присутність залишкового магнітного поля;
• виникнення стану надпровідності тільки при низьких температурах;
• нездатність виконувати свої функції в магнітних полях з високою напруженістю.

Матеріали

Найчастіше для захисту від магнітного поля застосовують екрани з вуглецевої сталі, так як вони володіють високою технологічністю щодо зварювання, пайки, недорогі і характеризуються хорошою корозійною стійкістю. Крім них, використовуються такі матеріали, як:

• технічна алюмінієва фольга;
• магнитомягкий сплав із заліза, алюмінію і кремнію (альсифер);
• мідь;
• скла з струмопровідним покриттям;
• цинк;
• трансформаторна сталь;
• струмопровідні емалі і лаки;
• латунь;
• металізовані тканини.

Конструктивно вони можуть виготовляються у вигляді листів, сіток і фольги. Листові матеріали забезпечують кращий захист, а сітчасті більш зручні в збірці – їх можна з’єднувати між собою точкової зварюванням із кроком 10-15 мм. Для забезпечення антикорозійної стійкості сітки покривають лаками.

Рекомендації щодо вибору матеріалу

При виборі матеріалу для захисних екранів керуються наступними рекомендаціями:

• У слабких полях використовують сплави з високою магнітною проникністю. Найбільш технологічним є пермалой, який добре піддається обробці тиском і різанням. Напруженість магнітного поля, необхідна для повного його розмагнічування, а також питомий електричний опір залежать в основному від процентного вмісту нікелю. За кількістю цього елемента виділяють низконикелевые (до 50%) і высоконикелевые (до 80%) пермаллои.
• Для зменшення енергетичних втрат в змінне магнітне поле поміщають кожухи або з хорошого провідника, або з ізолятора.
• Для частоти поля більше 10 МГц хороший ефект дають покриття з срібною або мідної плівки товщиною від 0,1 мм (екрани з фольгованого гетинаксу та інших ізоляційних матеріалів), а також мідь, алюміній, латунь. Для захисту від окислення міді її покривають сріблом.
• Товщина матеріалу залежить від частоти f. Чим нижче f, тим більша повинна бути товщина для досягнення того ж ефекту екранування. На високих частотах для виготовлення кожухів з будь-якого матеріалу достатньо товщини 0,5-1,5 мм.
• Для полів з високою f феромагнетики не використовують, так як вони володіють великим опором і призводять до великих втрат енергії. З метою екранування постійних магнітних полів не можна також застосовувати матеріали з високою провідністю, крім сталі.
• Для захисту в широкому діапазоні f оптимальним рішенням є багатошарові матеріали (листи сталі з шаром металу з високою провідністю).

Загальними правилами вибору є наступні:

• Високі частоти – матеріали з високою провідністю.
• Низькі частоти – матеріали з високою магнітною проникністю. Екранування в даному випадку є однією з найбільш складних завдань, оскільки це ускладнює і ускладнює конструкцію захисного екрана.

Фольговані стрічки

Фольговані екрануючі стрічки застосовуються в наступних цілях:

• Екранування широкосмугових електромагнітних перешкод. Найчастіше їх використовують для дверей і стінок електричних шаф з приладами, а також для формування екрана навколо окремих елементів (соленоїди, реле) та кабелів.
• Відвід статичного заряду, що накопичується на приладах, що містять напівпровідники та електронно-променеві трубки, а також в пристроях, службовців для введення-виведення інформації з комп’ютера.
• В якості компонента ланцюгів заземлення.
• Для зменшення електростатичного взаємодії між обмотками трансформаторів.

Конструктивно вони виконуються на основі проводить адгезивного матеріалу (акрилова смола) і фольги (з рифленою або гладкою поверхнею), зробленої з таких видів металу:

• алюміній;
• мідь;
• луджена мідь (для пайки і кращої антикорозійного захисту).

Полімерні матеріали

В тих пристроях, де поряд з екранування магнітного поля потрібен захист від механічних пошкоджень і амортизація, застосовуються полімерні матеріали. Вони виготовляються у вигляді прокладок з поліуретанової піни, покритої поліефірною плівкою, на основі акрилового адгезиву.

При виробництві рідкокристалічних моніторів використовуються акрилові ущільнювачі з струмопровідної тканини. В шарі акрилового адгезиву знаходиться тривимірна електропровідних матриця, виконана з струмопровідних частинок. Завдяки своїй пружності такий матеріал також ефективно поглинає механічні дії.

Компенсаційний метод

Принцип компенсаційного методу захисту полягає в штучному створенні магнітного поля, яке спрямоване протилежно зовнішньому полю. Зазвичай це досягається за допомогою системи котушок Гельмгольца. Вона являє собою 2 однакові тонкі котушки, розташовані співвісно на відстані їх радіусу. По них пропускають електричний струм. Наведене котушками магнітне поле відрізняється високою однорідністю.

Екранування може також проводитися за допомогою плазми. Це явище враховується при розподілі магнітного поля в космосі.

Екранування кабелів

Захист від магнітного поля необхідна при прокладці кабелів. Електричні струми, що наводяться в них, можуть бути спричинені включенням побутової техніки в приміщенні (кондиціонери, люмінесцентні світильники, телефони), а також в шахтах ліфтів. Особливо великий вплив на ці фактори впливають на цифрові системи зв’язку, що працюють за протоколами з широкою смугою частот. Це пов’язано з малою різницею між потужністю корисного сигналу і перешкодами у верхній зоні спектра. Крім цього, електромагнітна енергія, яку випромінюють кабельні системи, несприятливо впливає на здоров’я персоналу, який працює в приміщенні.

Між парами проводів виникають перехресні наведення, обумовлені присутністю ємнісної та індуктивного зв’язку між ними. Електромагнітна енергія кабелів також відображається через неоднорідностей їх хвильового опору і послаблюється у вигляді теплових втрат. В результаті загасання потужність сигналу в кінці протяжних ліній падає в сотні разів.

В даний час в електротехнічній промисловості практикується 3 методи екранування кабельних трас:

• Застосування суцільнометалевих коробів (із сталі або алюмінію) або установка металевих вставок в пластикові. При зростанні частоти поля екрануюча здатність алюмінію знижується. Недоліком також є дорожнеча коробів. Для довгих кабельних трас існує проблема забезпечення електричного контакту окремих елементів та їх заземлення для забезпечення нульового потенціалу короби.
• Використання екранованих кабелів. Цей метод забезпечує максимальний захист, так як оболонка оточує безпосередньо сам кабель.
• Вакуумне напилення металу на ПВХ-канал. Такий спосіб малоефективний на частотах до 200 МГц. «Гасіння» магнітного поля менше в десятки разів порівняно з укладанням кабелю в металеві короби з-за високої питомої опору.

Види кабелів

Розрізняють 2 види екранованих кабелів:

• Із загальним екраном. Він розташовується навколо незахищених скручених провідників. Недоліком таких кабелів є те, що вони виникають великі межкабельные наведення (в 5-10 разів більше, ніж у екранованих пар), особливо між парами з однаковим кроком скручування.
• Кабелю з екранованими витими парами. Проводиться індивідуальне екранування всіх пар. З-за більш високої вартості вони найчастіше застосовуються в мережах з жорсткими вимогами щодо безпеки та в приміщеннях зі складною електромагнітною обстановкою. Використання таких кабелів при паралельній прокладці дає можливість зменшити відстань між ними. Це дозволяє зменшити витрати порівняно з роздільним маршрутизированием.

Вита пара екранованого кабелю являє собою ізольовані пари провідників (їх кількість звичайно складає від 2 до 8). При такій конструкції зменшуються перехресні наведення між провідниками. У неэкранированных пар немає вимог до заземлення, вони володіють більшою гнучкістю, меншими поперечними розмірами, легкістю монтажу. Екранована пара забезпечує захист від електромагнітних перешкод і високу якість передачі даних по мережах.

В інформаційних системах також використовується двошарове екранування, яке складається з захисту кручених пар у вигляді металізованої пластикової стрічки або фольги і загальної металевого обплетення. Для ефективного захисту від магнітного поля такі кабельні системи повинні мати надійне заземлення.