Hvordan isolere et magnetfelt. Magnetisk skjerming

To metoder brukes for å skjerme magnetfeltet:

skiftemetode;

Skjermmagnetisk feltmetode.

La oss se nærmere på hver av disse metodene.

Metoden for å shunte magnetfeltet med en skjerm.

Metoden for å shunte magnetfeltet med en skjerm brukes for å beskytte mot et konstant og sakte skiftende magnetfelt. Skjermer er laget av ferromagnetiske materialer med høy relativ magnetisk permeabilitet (stål, permalloy). I nærvær av en skjerm passerer linjene med magnetisk induksjon hovedsakelig langs veggene (Figur 8.15), som har lav magnetisk motstand sammenlignet med luftrommet inne i skjermen. Skjermingskvaliteten avhenger av den magnetiske permeabiliteten til skjermen og motstanden til den magnetiske kretsen, dvs. jo tykkere skjoldet og jo færre sømmer, skjøter som går på tvers av de magnetiske induksjonslinjene, vil skjermingseffektiviteten være høyere.

Skjermforskyvningsmetode.

Skjermforskyvningsmetoden brukes til å skjerme variable høyfrekvente magnetiske felt. I dette tilfellet brukes skjermer laget av ikke-magnetiske metaller. Skjerming er basert på fenomenet induksjon. Her er fenomenet induksjon nyttig.

La oss sette en kobbersylinder på banen til et jevnt vekslende magnetfelt (Figur 8.16, a). Variabel ED vil bli begeistret i den, som igjen vil skape variable induksjonsvirvelstrømmer (Foucault-strømmer). Magnetfeltet til disse strømmene (Figur 8.16, b) vil bli lukket; inne i sylinderen vil den rettes mot det spennende feltet, og utenfor det, i samme retning som det spennende feltet. Det resulterende feltet (figur 8.16, c) svekkes nær sylinderen og forsterkes utenfor den, dvs. det er en forskyvning av feltet fra plassen som okkuperes av sylinderen, som er dens skjermingseffekt, som vil være den mer effektive, jo lavere den elektriske motstanden til sylinderen, dvs. jo flere virvelstrømmer strømmer gjennom den.

På grunn av overflateeffekten ("hudeffekten"), faller tettheten av virvelstrømmer og intensiteten til det vekslende magnetfeltet, når de går dypere inn i metallet, eksponentielt.

, (8.5)

hvor (8.6)

- en indikator på nedgangen i felt og strøm, som kalles tilsvarende penetrasjonsdybde.

Her er den relative magnetiske permeabiliteten til materialet;

– vakuummagnetisk permeabilitet lik 1,25*10 8 gn*cm -1 ;

– materialets resistivitet, Ohm*cm;

- frekvens Hz.

Det er praktisk å karakterisere skjermingseffekten til virvelstrømmer ved verdien av den ekvivalente penetrasjonsdybden. Jo mindre x 0, jo større magnetfelt skaper de, som forskyver det ytre feltet til pickupkilden fra plassen som opptas av skjermen.

For et ikke-magnetisk materiale i formel (8.6) =1, bestemmes skjermingseffekten kun av og . Og om skjermen er laget av ferromagnetisk materiale?

Hvis lik vil effekten være bedre, siden >1 (50..100) og x 0 vil være mindre.

Så x 0 er et kriterium for skjermingseffekten av virvelstrømmer. Det er av interesse å anslå hvor mange ganger strømtettheten og magnetfeltstyrken blir mindre på en dybde x 0 sammenlignet med den ved overflaten. For å gjøre dette, erstatter vi x \u003d x 0 i formel (8.5), deretter

derfra kan man se at ved en dybde x 0 avtar strømtettheten og magnetfeltstyrken med en faktor e, dvs. opp til en verdi på 1/2,72, som er 0,37 av tettheten og spenningen på overflaten. Siden feltet svekkelse er bare 2,72 ganger på dybde x 0 ikke nok til å karakterisere skjermingsmaterialet, så brukes ytterligere to verdier av penetrasjonsdybden x 0,1 og x 0,01, som karakteriserer fallet i strømtetthet og feltspenning med 10 og 100 ganger fra verdiene deres på overflaten.

Vi uttrykker verdiene x 0,1 og x 0,01 gjennom verdien x 0, for dette, på grunnlag av uttrykk (8,5), komponerer vi ligningen

Og ,

bestemmer hva vi får

x 0,1 \u003d x 0 ln10 \u003d 2,3x 0; (8,7)

x 0,01 = x 0 ln100=4,6x 0

Basert på formlene (8.6) og (8.7) for ulike skjermingsmaterialer, er verdiene for penetrasjonsdybder gitt i litteraturen. For oversiktens skyld presenterer vi de samme dataene i form av tabell 8.1.

Tabellen viser at for alle høye frekvenser, fra mellombølgeområdet, virker en skjerm laget av et hvilket som helst metall med en tykkelse på 0,5...1,5 mm veldig effektivt. Ved valg av tykkelse og materiale på skjermen bør man ikke gå ut fra de elektriske egenskapene til materialet, men ledes av hensyn til mekanisk styrke, stivhet, motstand mot korrosjon, enkel sammenføyning av individuelle deler og implementering av overgangskontakter mellom dem med lav motstand, enkel lodding, sveising, etc.

Det følger av dataene i tabellen at for frekvenser større enn 10 MHz gir en film av kobber og enda mer av sølv med en tykkelse på mindre enn 0,1 mm en betydelig skjermingseffekt. Derfor, ved frekvenser over 10 MHz, er det ganske akseptabelt å bruke skjermer laget av foliegetinaks eller annet isolasjonsmateriale belagt med kobber eller sølv.

Stål kan brukes som skjermer, men du må huske at på grunn av den høye resistiviteten og hysterese-fenomenet, kan en stålskjerm introdusere betydelige tap i skjermingskretsene.

Skjerming av magnetiske felt kan gjøres på to måter:

Skjerming med ferromagnetiske materialer.

Skjerming med virvelstrømmer.

Den første metoden brukes vanligvis for å screene konstant MF og lavfrekvente felt. Den andre metoden gir betydelig effektivitet ved skjerming av høyfrekvent MF. På grunn av overflateeffekten faller tettheten av virvelstrømmer og intensiteten til det vekslende magnetfeltet, når de går dypere inn i metallet, i henhold til en eksponentiell lov:

Reduksjonen i felt og strøm, som kalles ekvivalent penetrasjonsdybde.

Jo mindre penetrasjonsdybden er, desto større strøm flyter strømmen i overflatelagene på skjermen, jo større er den omvendte MF som skapes av den, som forskyver det eksterne feltet til pickupkilden fra plassen som er okkupert av skjermen. Hvis skjermen er laget av et ikke-magnetisk materiale, vil skjermingseffekten kun avhenge av den spesifikke ledningsevnen til materialet og frekvensen til skjermingsfeltet. Hvis skjermen er laget av et ferromagnetisk materiale, vil, alt annet likt, en stor e bli indusert i den av et eksternt felt. d.s. på grunn av den større konsentrasjonen av magnetfeltlinjer. Med samme ledningsevne til materialet vil virvelstrømmene øke, noe som gir mindre penetrasjonsdybde og bedre skjermingseffekt.

Når du velger tykkelsen og materialet på skjermen, bør man ikke gå ut fra materialets elektriske egenskaper, men være styrt av hensyn til mekanisk styrke, vekt, stivhet, motstand mot korrosjon, enkel sammenføyning av individuelle deler og overgangskontakter mellom dem med lav motstand, enkel lodding, sveising og så videre.

Det kan ses av dataene i tabellen at for frekvenser over 10 MHz gir kobber- og enda mer sølvfilmer med en tykkelse på ca. 0,1 mm en betydelig skjermingseffekt. Derfor, ved frekvenser over 10 MHz, er det ganske akseptabelt å bruke skjermer laget av foliebelagt getinax eller glassfiber. Ved høye frekvenser gir stål en større skjermingseffekt enn ikke-magnetiske metaller. Det bør imidlertid tas i betraktning at slike skjermer kan introdusere betydelige tap i de skjermede kretsene på grunn av høy resistivitet og hysterese. Derfor kan slike skjermbilder kun brukes i tilfeller der innsettingstap kan ignoreres. Dessuten, for større skjermingseffektivitet, må skjermen ha mindre magnetisk motstand enn luft, da har magnetfeltlinjene en tendens til å passere langs veggene på skjermen og trenge inn i rommet utenfor skjermen i et mindre antall. En slik skjerm er like egnet for beskyttelse mot virkningene av et magnetfelt og for å beskytte det ytre rommet mot påvirkningen av et magnetfelt skapt av en kilde inne i skjermen.

Det er mange kvaliteter av stål og permalloy med forskjellige verdier av magnetisk permeabilitet, så for hvert materiale er det nødvendig å beregne verdien av penetrasjonsdybden. Beregningen gjøres i henhold til den omtrentlige ligningen:

1) Beskyttelse mot eksternt magnetfelt

De magnetiske kraftlinjene til det eksterne magnetfeltet (induksjonslinjene til det magnetiske interferensfeltet) vil hovedsakelig passere gjennom tykkelsen på skjermens vegger, som har en lav magnetisk motstand sammenlignet med motstanden til rommet inne i skjermen . Som et resultat vil det eksterne magnetiske interferensfeltet ikke påvirke driften av den elektriske kretsen.

2) Skjerming av eget magnetfelt

Slik kraning brukes hvis oppgaven er å beskytte eksterne elektriske kretser mot virkningene av et magnetfelt skapt av spolestrømmen. Induktans L, dvs. når det er nødvendig å praktisk talt lokalisere interferensen skapt av induktansen L, løses et slikt problem ved hjelp av en magnetisk skjerm, som vist skjematisk i figuren. Her vil nesten alle feltlinjer i feltet til induktoren være lukket gjennom tykkelsen på skjermveggene, uten å gå utover dem på grunn av det faktum at skjermens magnetiske motstand er mye mindre enn motstanden til det omkringliggende rommet.

3) Dobbel skjerm

I en dobbel magnetisk skjerm kan man tenke seg at en del av de magnetiske kraftlinjene, som går utover tykkelsen på veggene til en skjerm, vil lukke seg gjennom tykkelsen på veggene til den andre skjermen. På samme måte kan man forestille seg handlingen til en dobbel magnetisk skjerm når man lokaliserer magnetisk interferens skapt av et elektrisk kretselement plassert inne i den første (indre) skjermen: hoveddelen av magnetfeltlinjene (magnetiske strielinjer) vil lukke seg gjennom veggene til den ytre skjermen. Selvfølgelig, i doble skjermer, må veggtykkelsene og avstanden mellom dem velges rasjonelt.

Den totale skjermingskoeffisienten når sin største verdi i tilfeller der veggtykkelsen og gapet mellom skjermene øker proporsjonalt med avstanden fra midten av skjermen, og gapet er det geometriske gjennomsnittet av veggtykkelsene til skjermene ved siden av den. . I dette tilfellet er skjermingsfaktoren:

L = 20 lg (H/Ne)

Produksjonen av doble skjermer i samsvar med denne anbefalingen er praktisk talt vanskelig av teknologiske årsaker. Det er mye mer hensiktsmessig å velge avstanden mellom skallene ved siden av luftspalten til skjermene, større enn tykkelsen på den første skjermen, omtrent lik avstanden mellom biffen til den første skjermen og kanten av det skjermede kretselementet (for eksempel spoler og induktorer). Valget av en eller annen veggtykkelse på magnetskjermen kan ikke gjøres entydig. Rasjonell veggtykkelse bestemmes. skjermmateriale, interferensfrekvens og spesifisert skjermingsfaktor. Det er nyttig å ta hensyn til følgende.

1. Med en økning i frekvensen av interferens (frekvensen til et vekslende magnetisk interferensfelt), reduseres den magnetiske permeabiliteten til materialer og forårsaker en reduksjon i skjermingsegenskapene til disse materialene, siden når den magnetiske permeabiliteten avtar, vil motstanden mot magnetisk fluks som utøves av skjermen øker. Som regel er reduksjonen i magnetisk permeabilitet med økende frekvens mest intens for de magnetiske materialene som har høyest initial magnetisk permeabilitet. For eksempel endrer elektrisk stålplate med lav initial magnetisk permeabilitet verdien av jx lite med økende frekvens, og permalloy, som har store begynnelsesverdier for magnetisk permeabilitet, er svært følsomme for en økning i frekvensen til magnetfeltet ; dens magnetiske permeabilitet synker kraftig med frekvensen.

2. I magnetiske materialer utsatt for et høyfrekvent interferensmagnetisk felt, manifesteres overflateeffekten merkbart, dvs. forskyvningen av den magnetiske fluksen til overflaten av skjermens vegger, forårsaker en økning i skjermens magnetiske motstand. Under slike forhold virker det nesten ubrukelig å øke tykkelsen på skjermveggene utover grensene som opptas av den magnetiske fluksen ved en gitt frekvens. En slik konklusjon er feil, fordi en økning i veggtykkelsen fører til en reduksjon i den magnetiske motstanden til skjermen selv i nærvær av en overflateeffekt. Samtidig bør endringen i magnetisk permeabilitet også tas i betraktning. Siden fenomenet med hudeffekten i magnetiske materialer vanligvis blir mer merkbart enn reduksjonen i magnetisk permeabilitet i lavfrekvensområdet, vil påvirkningen av begge faktorer på valget av skjermveggtykkelse være forskjellig i forskjellige områder av magnetiske interferensfrekvenser. Som regel er reduksjonen i skjermingsegenskaper med økende interferensfrekvens mer uttalt i skjold laget av materialer med høy initial magnetisk permeabilitet. De ovennevnte egenskapene til magnetiske materialer gir grunnlag for anbefalinger om valg av materialer og veggtykkelser på magnetiske skjermer. Disse anbefalingene kan oppsummeres som følger:

A) skjermer laget av vanlig elektrisk (transformator) stål, som har lav initial magnetisk permeabilitet, kan brukes, om nødvendig, for å gi små skjermingskoeffisienter (Ke 10); slike skjermer gir en nesten konstant skjermingsfaktor i et ganske bredt frekvensbånd, opptil flere titalls kilohertz; tykkelsen på slike skjermer avhenger av interferensfrekvensen, og jo lavere frekvensen er, desto større er tykkelsen på skjermen som kreves; for eksempel, ved en frekvens av et magnetisk interferensfelt på 50-100 Hz, bør tykkelsen på skjermveggene være omtrent lik 2 mm; hvis det er nødvendig med en økning i skjermingsfaktoren eller en større tykkelse på skjoldet, er det tilrådelig å bruke flere skjermingslag (dobbelt eller trippelt skjold) med mindre tykkelse;

B) det er tilrådelig å bruke skjermer laget av magnetiske materialer med høy initial permeabilitet (for eksempel permalloy) hvis det er nødvendig å gi en stor skjermingsfaktor (Ke > 10) i et relativt smalt frekvensbånd, og det er ikke tilrådelig å velge en tykkelse på hvert magnetisk skjermskall større enn 0,3-0,4 mm; skjermingseffekten til slike skjermer begynner å synke merkbart ved frekvenser over flere hundre eller tusen hertz, avhengig av den opprinnelige permeabiliteten til disse materialene.

Alt som er sagt ovenfor om magnetiske skjold er sant for svake magnetiske interferensfelt. Hvis skjoldet er plassert nær kraftige kilder til interferens og magnetiske flukser med høy magnetisk induksjon oppstår i det, er det som kjent nødvendig å ta hensyn til endringen i den magnetiske dynamiske permeabiliteten avhengig av induksjonen; det er også nødvendig å ta hensyn til tapene i tykkelsen på skjermen. I praksis påtreffer man ikke slike sterke kilder til magnetiske interferensfelt, der man må regne med deres effekt på skjermer, med unntak av noen spesielle tilfeller som ikke sørger for amatørradiopraksis og normale driftsforhold for radioteknikk. enheter med bred anvendelse.

Test

1. Med magnetisk skjerming må skjermingen:
1) Har mindre magnetisk motstand enn luft
2) ha magnetisk motstand lik luft
3) har større magnetisk motstand enn luft

2. Ved skjerming av magnetfeltet Jording av skjermen:
1) Påvirker ikke skjermingseffektiviteten
2) Øker effektiviteten til magnetisk skjerming
3) Reduserer effektiviteten til magnetisk skjerming

3. Ved lave frekvenser (<100кГц) эффективность магнитного экранирования зависит от:
a) Skjoldtykkelse, b) Magnetisk permeabilitet av materialet, c) Avstand mellom skjoldet og andre magnetiske kretser.
1) Bare a og b er sanne
2) Bare b og c er sanne
3) Bare a og b er sanne
4) Alle alternativer er riktige

4. Magnetisk skjerming ved lave frekvenser bruker:
1) Kobber
2) Aluminium
3) Permalloy.

5. Magnetisk skjerming ved høye frekvenser bruker:
1) Jern
2) Permalloy
3) Kobber

6. Ved høye frekvenser (>100 kHz) avhenger ikke effektiviteten av magnetisk skjerming av:
1) Skjermtykkelse

2) Magnetisk permeabilitet av materialet
3) Avstander mellom skjermen og andre magnetiske kretser.

Brukt litteratur:

2. Semenenko, V. A. Informasjonssikkerhet / V. A. Semenenko - Moskva, 2008.

3. Yarochkin, V. I. Informasjonssikkerhet / V. I. Yarochkin - Moskva, 2000.

4. Demirchan, K. S. Theoretical Foundations of Electrical Engineering Volume III / K. S. Demirchan S.-P, 2003.

Magnetisk feltskjerming.

shuntmetode. - Magnetisk felt skjermmetode.

Magnetisk felt shunting metode Den brukes for å beskytte mot det konstante og sakte skiftende magnetiske feltet. Skjermer er laget av ferromagnetiske materialer med høy relativ magnetisk permeabilitet (stål, permalloy). I nærvær av en skjerm passerer linjene med magnetisk induksjon hovedsakelig langs veggene, som har lav magnetisk motstand sammenlignet med luftrommet inne i skjermen. Jo tykkere skjermen og jo færre sømmer, skjøter, jo mer effektiv er skjermingen. Skjermforskyvningsmetode brukes til å skjerme vekslende høyfrekvente magnetiske felt. I dette tilfellet brukes skjermer laget av ikke-magnetiske metaller. Skjerming er basert på fenomenet induksjon.

Hvis du setter en kobbersylinder i banen til en like variabel magnetisk føflekk, der vekslende virvelinduksjonsstrømmer (Foucault-strømmer) eksiteres. Magnetfeltet til disse strømmene vil bli lukket; inne i sylinderen vil den rettes mot det spennende feltet, og utenfor det, i samme retning som det spennende feltet. Det resulterende feltet svekkes nær sylinderen og forsterkes utenfor den, dvs. det er en forskyvning av feltet fra plassen som okkuperes av sylinderen, som er dens skjermingseffekt, som vil være den mer effektive, jo lavere den elektriske motstanden til sylinderen, dvs. jo flere virvelstrømmer strømmer gjennom den.

På grunn av overflateeffekten ("hudeffekten"), faller tettheten av virvelstrømmer og intensiteten til det vekslende magnetfeltet, når de går dypere inn i metallet, eksponentielt.

Hvor

μ er den relative magnetiske permeabiliteten til materialet; μ˳ – vakuummagnetisk permeabilitet lik 1,25*108 h*cm-1; ρ er resistiviteten til materialet, Ohm*cm; ƒ – frekvens, Hz.

For et ikke-magnetisk materiale er μ = 1. Og skjermingseffekten bestemmes kun av ƒ og ρ.

Skjerming er en aktiv metode for å beskytte informasjon. Skjerming av magnetfeltet (magnetostatisk skjerming) brukes når det er nødvendig å undertrykke pickuper ved lave frekvenser fra 0 til 3..10 kHz. Effektiviteten til magnetostatisk skjerming øker ved bruk av flerlags skjermer.

Effektiviteten til magnetisk skjerming avhenger av frekvensen og de elektriske egenskapene til skjermmaterialet. Jo lavere frekvens, jo svakere virker skjermen, jo tykkere må den gjøres for å oppnå samme skjermingseffekt. For høye frekvenser, fra mellombølgeområdet, er en skjerm laget av ethvert metall med en tykkelse på 0,5 ... 1,5 mm veldig effektiv. Når du velger tykkelsen og materialet på skjermen, bør du ta hensyn til den mekaniske styrken, stivheten, motstanden mot korrosjon, bekvemmeligheten av å koble sammen individuelle deler og lage overgangskontakter med lav motstand mellom dem, bekvemmeligheten av lodding, sveising, etc. For frekvenser over 10 MHz, kobber og enda mer sølvfilm er tykk mer enn 0,1 mm gir en betydelig skjermingseffekt. Derfor, ved frekvenser over 10 MHz, er det ganske akseptabelt å bruke skjermer laget av foliegetinaks eller annet isolasjonsmateriale belagt med kobber eller sølv. For fremstilling av skjermer brukes følgende: metallmaterialer, dielektriske materialer, glass med ledende belegg, spesielle metalliserte stoffer, ledende maling. Metalliske materialer (stål, kobber, aluminium, sink, messing) som brukes til skjerming er laget i form av plater, masker og folier.

Alle disse materialene oppfyller kravet til korrosjonsbestandighet når de brukes med passende beskyttende belegg. De mest teknologisk avanserte er design av stålskjermer, siden sveising eller lodding kan brukes mye i produksjon og installasjon. Metallplater må kobles elektrisk til hverandre rundt hele omkretsen. Sømmen ved elektrisk sveising eller lodding må være kontinuerlig for å oppnå en helsveiset skjermkonstruksjon. Tykkelsen på stålet er valgt basert på formålet med skjermdesignet og betingelsene for monteringen, samt på muligheten for å gi kontinuerlige sveiser under produksjonen. Stålskjermer gir demping av elektromagnetisk stråling med mer enn 100 dB. Nettingskjermer er enklere å produsere, enkle å montere og betjene. For å beskytte mot korrosjon, er det tilrådelig å dekke nettet med en anti-korrosjonslakk. Ulempene med nettingskjermer inkluderer lav mekanisk styrke og lavere skjermingseffektivitet sammenlignet med ark. For mesh-skjermer er enhver sømdesign egnet som gir god elektrisk kontakt mellom tilstøtende nettpaneler minst hver 10.-15. mm. Lodding eller punktsveising kan brukes til dette formålet. En skjerm laget av fortinnet lavkarbonstålnett med en celle på 2,5-3 mm gir en dempning på ca 55-60 dB, og fra samme doble (med en avstand mellom ytre og indre masker på 100 mm) ca 90 dB . Skjermen, laget av et enkelt kobbernett med en celle på 2,5 mm, har en dempning i størrelsesorden 65-70 dB