Экранирование магнитного поля: принципы и материалы. Относительная магнитная проницаемость материалов

Электромагнитные экраны находят широкое применение в промышленности. Они служат для устранения вредного влияния одних элементов электрического устройства на другие, для защиты персонала и оборудования от воздействия внешних полей, которые возникают при работе других устройств. «Гашение» внешнего магнитного поля необходимо при создании лабораторий, предназначенных для наладки и испытаний высокочувствительной техники. Оно также требуется в медицине и тех областях науки, где проводится измерение полей со сверхмалой индукцией; для защиты информации при ее передаче по кабелям.

Методы

Экранирование магнитного поля – это совокупность способов снижения напряженности постоянного или переменного поля в определенной области пространства. Магнитное поле, в отличие от электрического, полностью ослабить нельзя.

В промышленности наибольшее воздействие на окружающую среду оказывают поля рассеяния, возникающие при работе трансформаторов, постоянных магнитов, сильноточных установок и цепей. Они могут полностью нарушать нормальную работу соседних приборов.

Чаще всего используется 2 метода защиты:

• Применение экранов, изготовленных из сверхпроводящих или ферромагнитных материалов. Это эффективно при наличии постоянного или низкочастотного магнитного поля.
• Компенсационный способ (гашение вихревыми токами). Вихревые токи – это объемные электрические токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Данный способ показывает наилучшие результаты для высокочастотных полей.

Принципы

Принципы экранирования магнитного поля основаны на закономерностях распространения магнитного поля в пространстве. Соответственно для каждой из перечисленных выше методик они заключаются в следующем:

1. Если поместить катушку индуктивности в кожух, сделанный из ферромагнетика, то линии индукции внешнего магнитного поля пройдут по стенкам защитного экрана, так как он имеет меньшее магнитное сопротивление по сравнению с пространством внутри него. Те силовые линии, которые наводятся самой катушкой, также почти все замкнутся на стенки кожуха. Для наилучшей защиты в этом случае необходимо выбирать ферромагнитные материалы, которые обладают высокой магнитной проницаемостью. На практике чаще всего используют сплавы железа. Для того чтобы повысить надежность экрана, его изготавливают толстостенным или сборным из нескольких кожухов. Недостатками такой конструкции является ее тяжеловесность, громоздкость и ухудшение экранирования при наличии швов и разрезов в стенках кожуха.
2. При втором методе ослабление внешнего магнитного поля происходит в результате наложения на него другого поля, индуцированного кольцевыми вихревыми токами. Его направление обратно линиям индукции первого поля. При увеличении частоты ослабление будет более выраженным. Для экранирования в этом случае используют пластинки в виде кольца из проводников с малым удельным сопротивлением. В качестве экранов-кожухов чаще всего применяются коробки в форме цилиндров, изготовленные из меди или алюминия.

Основные характеристики

Для описания процесса экранирования применяются 3 основные характеристики:

• Эквивалентная глубина проникновения магнитного поля. Итак, продолжим. Этот показатель используется для экранирующего эффекта вихревых токов. Чем меньше его значение, тем выше ток, протекающий в поверхностных слоях защитного кожуха. Соответственно, тем больше наводимое им магнитное поле, которое вытесняет внешнее. Эквивалентная глубина определяется по формуле, указанной ниже. В этой формуле ρ и μ_r – удельное сопротивление и относительная магнитная проницаемость материала экрана соответственно (единицы измерения первой величины – Ом∙м); f – частота поля, измеряемая в МГц.
• Эффективность экранирования e – отношение напряженности магнитного поля в экранируемом пространстве при отсутствии и наличии экрана. Данная величина тем выше, чем больше толщина экрана и магнитная проницаемость его материала. Магнитная проницаемость – это показатель, характеризующий, во сколько раз индукция в веществе отличается от таковой в вакууме.
• Уменьшение напряженности магнитного поля и плотности вихревых токов на глубине x от поверхности защитного кожуха. Показатель рассчитывают по формуле, приведенной ниже. Здесь А₀ – значение на поверхности экрана, x₀ – глубина, на которой напряженность или плотность токов снижается в e раз.

Конструкции экранов

Защитные кожухи для экранирования магнитного поля могут быть сделаны в различных конструктивных исполнениях:

• листовые и массивные;
• в виде полых трубок и кожухов с цилиндрическим или прямоугольным сечением;
• однослойные и многослойные, с воздушной прослойкой.

Так как расчет числа слоев довольно сложен, то эту величину чаще всего выбирают по справочникам, по кривым эффективности экранирования, которые были получены экспериментальным путем. Разрезы и швы в коробах допускается выполнять только вдоль линий вихревых токов. В противном случае уменьшается экранирующий эффект.

На практике получить высокий коэффициент экранирования сложно, так как всегда необходимо делать отверстия для кабельного ввода, вентиляции и обслуживания установок. Для катушек бесшовные кожухи изготавливают методом листового выдавливания, а в качестве съемной крышки служит дно цилиндрического экрана.

Кроме этого, при контакте элементов конструкции из-за неровностей поверхности образуются щели. Для того чтобы их ликвидировать, применяют механические прижимы или прокладки из проводящих материалов. Они выпускаются разных размеров и с различными свойствами.

Вихревые токи – это токи которые значительно меньше циркулирующих, но они способны препятствовать проникновению магнитного поля через экран. При наличии большого числа отверстий в кожухе снижение коэффициента экранирования происходит по логарифмической зависимости. Его наименьшее значение наблюдается при технологических отверстиях большого размера. Поэтому рекомендуется проектировать несколько мелких отверстий, чем одно крупное. Если необходимо применять стандартизованные отверстия (для ввода кабелей и других нужд), то используют запредельные волноводы.

В магнитостатическом поле, создаваемом постоянными электрическими токами, работа экрана заключается в шунтировании силовых линий поля. Защитный элемент устанавливается на максимально близком расстоянии к источнику. Заземление при этом не требуется. Эффективность экранирования зависит от магнитной проницаемости и толщины материала экрана. В качестве последних применяют стали, пермаллой и магнитные сплавы с высокой магнитной проницаемостью.

Экранирование кабельных трасс в основном выполняют двумя методами – использованием кабелей с экранированной или защищенной витой парой и укладкой кабелепроводов в алюминиевых коробах (или вставках).

Сверхпроводящие экраны

Работа сверхпроводящих магнитных экранов основана на эффекте Мейснера. Это явление заключается в том, что тело, находящееся в магнитном поле, переходит в сверхпроводящее состояние. При этом магнитная проницаемость кожуха становится равной нулю, то есть он не пропускает магнитное поле. Оно полностью компенсируется в объеме данного тела.

Достоинством таких элементов является то, что они гораздо эффективнее, защита от внешнего магнитного поля не зависит от частоты, а компенсационный эффект может длиться сколь угодно долго. Однако на практике эффект Мейснера не бывает полным, поскольку в реальных экранах, выполненных из сверхпроводящих материалов, всегда присутствуют структурные неоднородности, которые приводят к захвату магнитного потока. Данный эффект является серьезной проблемой для создания кожухов с целью экранирования магнитного поля. Коэффициент ослабления магнитного поля тем больше, чем выше химическая чистота материала. В экспериментах наилучшие показатели отмечены у свинца.

Другими недостатками сверхпроводниковых материалов для экранирования магнитного поля являются:

• высокая стоимость;
• присутствие остаточного магнитного поля;
• возникновение состояния сверхпроводимости только при низких температурах;
• неспособность выполнять свои функции в магнитных полях с высокой напряженностью.

Материалы

Чаще всего для защиты от магнитного поля применяют экраны из углеродистой стали, так как они обладают высокой технологичностью в отношении сварки, пайки, недороги и характеризуются хорошей коррозионной стойкостью. Кроме них, используются такие материалы, как:

• техническая алюминиевая фольга;
• магнитомягкий сплав из железа, алюминия и кремния (альсифер);
• медь;
• стекла с токопроводящим покрытием;
• цинк;
• трансформаторная сталь;
• токопроводящие эмали и лаки;
• латунь;
• металлизированные ткани.

Конструктивно они могут изготавливаются в виде листов, сеток и фольги. Листовые материалы обеспечивают лучшую защиту, а сетчатые более удобны в сборке – их можно соединять между собой точечной сваркой с шагом 10-15 мм. Для обеспечения антикоррозионной стойкости сетки покрывают лаками.

Рекомендации по выбору материала

При выборе материала для защитных экранов руководствуются следующими рекомендациями:

• В слабых полях используют сплавы с высокой магнитной проницаемостью. Наиболее технологичным является пермаллой, который хорошо поддается обработке давлением и резанием. Напряженность магнитного поля, необходимая для полного его размагничивания, а также удельное электрическое сопротивление зависят в основном от процентного содержания никеля. По количеству этого элемента выделяют низконикелевые (до 50%) и высоконикелевые (до 80%) пермаллои.
• Для уменьшения энергетических потерь в переменное магнитное поле помещают кожухи или из хорошего проводника, или из изолятора.
• Для частоты поля более 10 МГц хороший эффект дают покрытия из серебряной или медной пленки толщиной от 0,1 мм (экраны из фольгированного гетинакса и других изоляционных материалов), а также медь, алюминий, латунь. Для защиты меди от окисления ее покрывают серебром.
• Толщина материала зависит от частоты f. Чем ниже f, тем большая должна быть толщина для достижения того же эффекта экранирования. На высоких частотах для изготовления кожухов из любого материала достаточно толщины 0,5-1,5 мм.
• Для полей с высокой f ферромагнетики не используют, так как они обладают большим сопротивлением и приводят к большим потерям энергии. С целью экранирования постоянных магнитных полей нельзя также применять материалы с высокой проводимостью, кроме стали.
• Для защиты в широком диапазоне f оптимальным решением являются многослойные материалы (листы стали со слоем металла с высокой проводимостью).

Общими правилами выбора являются следующие:

• Высокие частоты – материалы с высокой проводимостью.
• Низкие частоты – материалы с высокой магнитной проницаемостью. Экранирование в данном случае является одной из наиболее сложных задач, так как это утяжеляет и усложняет конструкцию защитного экрана.

Фольгированные ленты

Фольгированные экранирующие ленты применяются в следующих целях:

• Экранирование широкополосных электромагнитных помех. Чаще всего их используют для дверей и стенок электрических шкафов с приборами, а также для формирования экрана вокруг отдельных элементов (соленоиды, реле) и кабелей.
• Отвод статического заряда, который накапливается на приборах, содержащих полупроводники и электронно-лучевые трубки, а также в устройствах, служащих для ввода-вывода информации из компьютера.
• В качестве компонента цепей заземления.
• Для уменьшения электростатического взаимодействия между обмотками трансформаторов.

Конструктивно они выполняются на основе проводящего адгезивного материала (акриловая смола) и фольги (с рифленой или гладкой поверхностью), сделанной из следующих видов металла:

• алюминий;
• медь;
• луженая медь (для пайки и лучшей антикоррозионной защиты).

Полимерные материалы

В тех устройствах, где наряду с экранированием магнитного поля требуется защита от механических повреждений и амортизация, применяются полимерные материалы. Они изготавливаются в виде прокладок из полиуретановой пены, покрытой полиэфирной пленкой, на основе акрилового адгезива.

При производстве жидкокристаллических мониторов используются акриловые уплотнители из токопроводящей ткани. В слое акрилового адгезива находится трехмерная электропроводная матрица, выполненная из токопроводящих частиц. Благодаря своей упругости такой материал также эффективно поглощает механические воздействия.

Компенсационный метод

Принцип компенсационного метода экранирования заключается в искусственном создании магнитного поля, которое направлено противоположно внешнему полю. Обычно это достигается с помощью системы катушек Гельмгольца. Она представляет собой 2 одинаковые тонкие катушки, располагающиеся соосно на расстоянии их радиуса. По ним пропускают электрический ток. Наведенное катушками магнитное поле отличается высокой однородностью.

Экранирование может также производиться с помощью плазмы. Этот явление учитывается при распределении магнитного поля в космосе.

Экранирование кабелей

Защита от магнитного поля необходима при прокладке кабелей. Электрические токи, наводящиеся в них, могут быть вызваны включением бытовой техники в помещении (кондиционеры, люминесцентные светильники, телефоны), а также лифтов в шахтах. Особенно большое влияние эти факторы оказывают на цифровые системы связи, работающие по протоколам с широкой полосой частот. Это связано с малой разницей между мощностью полезного сигнала и помехами в верхней зоне спектра. Кроме этого, электромагнитная энергия, которую излучают кабельные системы, неблагоприятно воздействует на здоровье персонала, работающего в помещении.

Между парами проводов возникают перекрестные наводки, обусловленные присутствием емкостной и индуктивной связи между ними. Электромагнитная энергия кабелей также отражается из-за неоднородностей их волнового сопротивления и ослабляется в виде тепловых потерь. В результате затухания мощность сигнала в конце протяженных линий падает в сотни раз.

В настоящее время в электротехнической промышленности практикуется 3 метода экранирования кабельных трасс:

• Применение цельнометаллических коробов (из стали или алюминия) или установка металлических вставок в пластиковые. При росте частоты поля экранирующая способность алюминия снижается. Недостатком также является дороговизна коробов. Для длинных кабельных трасс существует проблема обеспечения электрического контакта отдельных элементов и их заземления для обеспечения нулевого потенциала короба.
• Использование экранированных кабелей. Этот метод обеспечивает максимальную защиту, так как оболочка окружает непосредственно сам кабель.
• Вакуумное напыление металла на ПВХ-канал. Такой способ малоэффективен на частотах до 200 МГц. «Гашение» магнитного поля меньше в десятки раз по сравнению с укладкой кабеля в металлические короба из-за высокого удельного сопротивления.

Виды кабелей

Различают 2 вида экранированных кабелей:

• С общим экраном. Он располагается вокруг незащищенных скрученных проводников. Недостатком таких кабелей является то, что возникают большие межкабельные наводки (в 5-10 раз больше, чем у экранированных пар), особенно между парами с одинаковым шагом скрутки.
• Кабеля с экранированными витыми парами. Производится индивидуальное экранирование всех пар. Из-за более высокой стоимости они чаще всего применяются в сетях с жесткими требованиями по безопасности и в помещениях со сложной электромагнитной обстановкой. Использование таких кабелей при параллельной прокладке дает возможность уменьшить расстояние между ними. Это позволяет уменьшить затраты по сравнению с раздельным маршрутизированием.

Витая пара экранированного кабеля представляет собой изолированные пары проводников (их количество обычно составляет от 2 до 8). При такой конструкции уменьшаются перекрестные наводки между проводниками. У неэкранированных пар нет требований к заземлению, они обладают большей гибкостью, меньшими поперечными размерами, легкостью монтажа. Экранированная пара обеспечивает защиту от электромагнитных помех и высокое качество передачи данных по сетям.

В информационных системах также используется двухслойное экранирование, которое состоит из защиты витых пар в виде металлизированной пластиковой ленты или фольги, и общей металлической оплетки. Для эффективной защиты от магнитного поля такие кабельные системы должны иметь надежное заземление.