Электромагнитное экранирование

редактировать
Клетки электромагнитного экранирования внутри разобранного мобильного телефона.

В электротехнике, Электромагнитное экранирование - это практика уменьшения электромагнитного поля в пространстве путем блокирования поля с помощью барьеров, сделанных из проводящих или магнитных материалов. Экранирование обычно применяется к корпусам, чтобы изолировать электрические устройства от их окружения, и к кабелям, чтобы изолировать провода от окружающей среды, через которую проходит кабель. Электромагнитное экранирование, которое блокирует радиочастоты (RF) электромагнитное излучение, также известно как RF-экранирование .

Экранирование может уменьшить связь радиоволн., электромагнитные поля и электростатические поля. Проводящий корпус, используемый для блокировки электростатических полей, также известен как клетка Фарадея. Степень уменьшения во многом зависит от используемого материала, его толщины, размера экранированного объема и частоты исследуемых полей, а также размера, формы и ориентации отверстий в экране для падения. электромагнитное поле.

Содержание

  • 1 Используемые материалы
  • 2 Примеры применения
  • 3 Как это работает
  • 4 Магнитное экранирование
  • 5 Математическая модель
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Используемые материалы

Типичные материалы, используемые для электромагнитного экранирования, включают листовой металл, металлический экран и металлическую пену. Обычные листовые металлы для защиты включают медь, латунь, никель, серебро, сталь и олово. Эффективность экранирования, то есть насколько хорошо экран отражает или поглощает / подавляет электромагнитное излучение, зависит от физических свойств металла. Они могут включать проводимость, паяемость, проницаемость, толщину и вес. При выборе материала важно учитывать свойства металла. Например, волны с преобладанием электрического поля отражаются металлами с высокой проводимостью, такими как медь, серебро и латунь, а волны с преобладанием магнитного поля поглощаются / подавляются менее проводящим металлом, таким как сталь или нержавеющая сталь. Кроме того, любые отверстия в экране или сетке должны быть значительно меньше, чем длина волны излучения, которое не пропускается, иначе корпус не будет эффективно приближаться к непрерывной проводящей поверхности.

Другой широко используемый метод экранирования, особенно для электронных товаров, помещенных в пластиковые корпуса, - это покрытие внутренней части корпуса металлическими чернилами или подобным материалом. Чернила состоят из материала-носителя, наполненного подходящим металлом, обычно медью или никелем, в форме очень мелких частиц. Его распыляют на корпус, и после высыхания образуется непрерывный проводящий слой металла, который может быть электрически соединен с заземлением шасси оборудования, обеспечивая тем самым эффективное экранирование.

Электромагнитное экранирование - это процесс понижения электромагнитного поля в области путем заграждения ее проводящим или магнитным материалом. Медь используется для экранирования радиочастот (RF), потому что она поглощает радио и другие электромагнитные волны. Правильно спроектированные и сконструированные кожухи для защиты от радиочастот удовлетворяют большинству потребностей в защите от радиочастот, от компьютерных и электрических коммутационных до больничных CAT-scan и МРТ. 128>Примеры применения Поперечное сечение коаксиального кабеля, показывающее экранирование и другие слои

Одним из примеров является экранированный кабель, который имеет электромагнитное экранирование в виде проволочной сетки, окружающей внутреннюю жилу. дирижер. Экранирование препятствует выходу любого сигнала из сердечника проводника, а также предотвращает добавление сигналов к сердечнику проводника. Некоторые кабели имеют два отдельных коаксиальных экрана, один из которых подключен на обоих концах, а другой - только на одном конце, чтобы максимально экранировать как электромагнитные, так и электростатические поля.

Дверца микроволновой печи имеет экран, встроенный в окно. С точки зрения микроволн (с длиной волны 12 см) этот экран завершает клетку Фарадея, образованную металлическим корпусом печи. Видимый свет с длинами волн от 400 до 700 нм легко проходит через отверстия в экране.

РЧ-экранирование также используется для предотвращения доступа к данным, хранящимся на чипах RFID, встроенных в различные устройства, например, биометрические паспорта.

НАТО определяет электромагнитное экранирование для компьютеров. и клавиатуры для предотвращения пассивного мониторинга излучения клавиатуры, что позволило бы перехватить пароли; потребительские клавиатуры не предлагают эту защиту в первую очередь из-за непомерно высокой стоимости.

Экранирование радиочастотного излучения также используется для защиты медицинского и лабораторного оборудования для обеспечения защиты от мешающих сигналов, включая AM, FM, телевидение, службы экстренной помощи, диспетчеризацию и т. д. пейджеры, ESMR, сотовая связь и PCS. Его также можно использовать для защиты оборудования в диапазонах AM, FM или ТВ.

Еще одним примером практического использования электромагнитного экранирования может быть защита. По мере совершенствования технологий растет и уязвимость к различным типам гнусных электромагнитных помех. Идея помещения кабеля внутри заземленного проводящего барьера может снизить эти риски. См. Экранированные кабели и Электромагнитные помехи.

Как это работает

Электромагнитное излучение состоит из связанных электрического и магнитного полей. Электрическое поле создает сил на носителях заряда (то есть электронов ) внутри проводника. Как только электрическое поле прикладывается к поверхности идеального проводника, оно индуцирует ток, который вызывает смещение заряда внутри проводника, который нейтрализует приложенное поле внутри, и в этот момент ток останавливается. См. клетка Фарадея для получения дополнительных объяснений.

Аналогично, изменяющиеся магнитные поля генерируют вихревые токи, которые действуют, чтобы нейтрализовать приложенное магнитное поле. (Проводник не реагирует на статические магнитные поля, если проводник не движется относительно магнитного поля.) В результате электромагнитное излучение отражается от поверхности проводника: внутренние поля остаются внутри, а внешние поля остаются снаружи.

Несколько факторов ограничивают экранирующую способность реальных радиочастотных экранов. Во-первых, из-за электрического сопротивления проводника возбужденное поле не полностью компенсирует падающее поле. Кроме того, большинство проводников проявляют ферромагнитный отклик на низкочастотные магнитные поля, так что такие поля не полностью ослабляются проводником. Любые отверстия в экране заставляют ток течь вокруг них, так что поля, проходящие через отверстия, не возбуждают противоположные электромагнитные поля. Эти эффекты снижают способность экрана отражать поле.

В случае высокочастотного электромагнитного излучения вышеупомянутые регулировки занимают немалое количество времени, однако любая такая энергия излучения, если она не отражается, впитывается кожей (если только она не очень тонкая), поэтому в этом случае внутри тоже нет электромагнитного поля. Это один из аспектов большого явления, называемого скин-эффектом. Мерой глубины, на которую излучение может проникнуть через экран, является так называемая глубина кожи.

Магнитное экранирование

Оборудование иногда требует изоляции от внешних магнитных полей. Для статических или медленно меняющихся магнитных полей (ниже примерно 100 кГц) экранирование Фарадея, описанное выше, неэффективно. В этих случаях могут использоваться экраны, изготовленные из металлических сплавов с высокой магнитной проницаемостью, таких как листы пермаллоя и мю-металла или с покрытия из ферромагнитных металлов с нанокристаллической зеренной структурой. Эти материалы не блокируют магнитное поле, как в случае электрического экранирования, а скорее втягивают поле внутрь себя, обеспечивая путь для силовых линий вокруг экранированного объема. Таким образом, наилучшей формой для магнитных экранов является закрытый контейнер, окружающий экранированный объем. Эффективность этого типа экранирования зависит от проницаемости материала, которая обычно снижается как при очень низкой напряженности магнитного поля, так и при высокой напряженности поля, когда материал становится насыщенным. Таким образом, для достижения низких остаточных полей магнитные экраны часто состоят из нескольких корпусов, расположенных один внутри другого, каждый из которых последовательно уменьшает поле внутри него.

Из-за вышеуказанных ограничений пассивного экранирования альтернативой, используемой со статическими или низкочастотными полями, является активное экранирование; использование поля, создаваемого электромагнитами для подавления окружающего поля в объеме. Соленоиды и катушки Гельмгольца - это типы катушек, которые могут использоваться для этой цели.

Кроме того, сверхпроводящие материалы могут вытеснять магнитные поля посредством эффекта Мейснера.

Математическая модель

Предположим, что у нас есть сферическая оболочка (линейная и изотропный) диамагнитный материал с относительной проницаемостью μ r {\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}}}{\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}}} , с внутренним радиусом a {\ displaystyle a }a и внешний радиус b {\ displaystyle b}b. Затем мы помещаем этот объект в постоянное магнитное поле:

H → 0 = H 0 z ^ = H 0 cos ⁡ θ r ^ - H 0 sin ⁡ θ θ ^ {\ displaystyle {\ vec {H}} _ { 0} = H_ {0} {\ hat {z}} = H_ {0} \ cos \ theta {\ hat {r}} - H_ {0} \ sin \ theta {\ hat {\ theta}}}{\ displaystyle {\ vec {H}} _ {0} = H_ {0} {\ hat {z}} = H_ {0} \ cos \ theta {\ шляпа {r}} - H_ {0} \ sin \ theta {\ hat {\ theta}}}

Поскольку в этой задаче нет токов, кроме возможных связанных токов на границах диамагнитного материала, то мы можем определить магнитный скалярный потенциал, который удовлетворяет уравнению Лапласа:

H → = - ∇ Φ M ∇ 2 Φ M = 0 {\ displaystyle {\ begin {align} {\ vec {H}} = - \ nabla \ Phi _ {M} \\\ nabla ^ {2} \ Phi _ {M} = 0 \ end {выровнено} }}{\ displaystyle {\ begin {align} {\ vec {H}} = - \ nabla \ Phi _ {M} \\\ nabla ^ {2} \ Phi _ {M} = 0 \ end {align}}}

где

B → = μ r H → {\ displaystyle {\ vec {B}} = \ mu _ {\ text {r}} {\ vec {H}}}{\ displaystyle {\ vec {B}} = \ mu _ {\ текст {r}} {\ vec {H}}}

В этом конкретной проблемой является азимутальная симметрия, поэтому мы можем записать, что решение уравнения Лапласа в сферических координатах:

Φ M = ∑ l = 0 ∞ (A lrl + B lrl + 1) P l (cos ⁡ θ) { \ Displaystyle \ Phi _ {M} = \ sum _ {l = 0} ^ {\ infty} \ left (A_ {l} r ^ {l} + {\ frac {B_ {l}} {r ^ {l + 1}}} \ right) P_ {l} (\ cos \ theta)}{\ displaystyle \ Phi _ { M} = \ sum _ {l = 0} ^ {\ infty} \ left (A_ {l} r ^ {l} + {\ frac {B_ {l}} {r ^ {l + 1}}} \ right) P_ {l} (\ соз \ theta)}

После сопоставления граничные условия

(H → 2 - H → 1) × n ^ = 0 (B → 2 - B → 1) ⋅ n ^ = 0 {\ displaystyle {\ begin {align} \ left ({\ vec {H }} _ {2} - {\ vec {H}} _ {1} \ right) \ times {\ hat {n}} = 0 \\\ left ({\ vec {B}} _ {2} - {\ vec {B}} _ {1} \ right) \ cdot {\ hat {n}} = 0 \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ left ({\ vec {H}} _ {2} - {\ vec {H}} _ {1} \ right) \ times {\ hat {n}} = 0 \\\ left ({\ vec {B}} _ {2} - {\ vec {B}} _ {1} \ right) \ cdot {\ hat {n}} = 0 \ end {align}}}

на границах (где n ^ {\ displaystyle { \ hat {n}}}{\ hat {n}} - единичный вектор, перпендикулярный поверхности, направленный со стороны 1 на сторону 2), тогда мы находим, что магнитное поле внутри полости в сферической оболочке:

H → in = η H → 0 {\ displaystyle {\ vec {H}} _ {\ text {in}} = \ eta {\ vec {H}} _ {0}}{\ displaystyle {\ vec {H}} _ {\ text {in}} = \ eta {\ vec {H }} _ {0}}

где η {\ displaystyle \ eta}\ eta - коэффициент затухания, который зависит от толщины диамагнитного материала и магнитной проницаемости материала:

η = 9 μ r (2 μ r + 1) (μ р + 2) - 2 (ab) 3 (μ р - 1) 2 {\ displaystyle \ eta = {\ frac {9 \ mu _ {\ text {r}}} {(2 \ mu _ {\ text {r }} + 1) (\ mu _ {\ text {r}} + 2) -2 \ left ({\ frac {a} {b}} \ right) ^ {3} (\ mu _ {\ text {r }} - 1) ^ {2}}}}{\ displaystyle \ eta = {\ frac {9 \ mu _ {\ text {r}}} {(2 \ mu _ {\ text {r}} + 1) (\ mu _ {\ text {r}} + 2) -2 \ left ({\ frac {a } {b}} \ right) ^ {3} (\ mu _ {\ text {r}} - 1) ^ {2}}}}

Этот коэффициент описывает s эффективность этого материала в экранировании внешнего магнитного поля от полости, которую он окружает. Обратите внимание, что этот коэффициент соответствующим образом принимает значение 1 (без экранирования) в пределах μ r → 1 {\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} \ rightarrow 1}{\ displaystyle \ mu _ {\ text { r}} \ rightarrow 1} . В пределах, когда μ r → ∞ {\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} \ rightarrow \ infty}{\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} \ rightarrow \ infty } этот коэффициент переходит в 0 (идеальное экранирование). Когда μ r>>1 {\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}}>>1}{\displaystyle \mu _{\text{r}}>>1} , тогда коэффициент затухания принимает более простой вид:

η = 9 2 1 (1 - a 3 б 3) μ р {\ displaystyle \ eta = {\ frac {9} {2}} {\ frac {1} {\ left (1 - {\ frac {a ^ {3}} {b ^ {3}}) } \ right) \ mu _ {\ text {r}}}}}{\ displaystyle \ eta = {\ frac {9} {2}} {\ frac {1} {\ left (1 - {\ frac {a ^ {3}) } {b ^ {3}}} \ right) \ mu _ {\ text {r}}}}}

который показывает, что магнитное поле уменьшается как μ r - 1 {\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} ^ { -1}}{\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} ^ {- 1}} .

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:30:21
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте