Электромагнитное экранирование

В технике проводной связи и радиотехнике важно уметь ограничить распространение в пространстве электрического и магнитного полей и, в особенности, защитить элементы электрических цепей, электронных устройств, электроизмерительных приборов и другого оборудования от помехонесущего поля.

В этих и подобных им случаях область, в которую поле не должно проникать, экранируется при помощи металлической оболочки от области, где имеется поле. Если такой оболочкой окружить источник переменного электромагнитного поля, то можно исключить влияние его излучения на расположенные вне оболочки устройства. Подобные оболочки носят название электромагнитных экранов. Экранирующее действие экрана из немагнитного материала в переменном электромагнитном поле определяется наведенными в толще стенок экрана токами и возбужденным этими токами магнитным полем. Очевидно, экранирующее действие возрастает при увеличении частоты и толщины стенок экрана.

Для получения эффективного экранирующего действия толщину стенок экрана следует взять, равной длине волны в веществе экрана (5.6) поскольку при проникновении электромагнитной волны в проводящее полупространство на глубину l, как было показано выше, наблюдается ослабление поля в е^2p = 540 раз, т.е. на этом расстоянии волна фактически полностью затухает. Практически считают, что волна затухает уже на расстоянии, в два-три раза меньшем по сравнению с длиной волны. Как видно из формулы (5.6), с увеличением частоты уменьшается длина волны (глубина проникновения) электромагнитного поля в проводнике. Поэтому при экранировании полей высокой частоты (радиочастоты) нет необходимости применять для экранов ферромагнитные материалы, которые нежелательны вследствие зависимости их магнитной проницаемости m от напряженности магнитного поля и явления гистерезиса. Обычно применяют экраны из хорошо проводящего материала, например, меди или алюминия. При промышленной частоте f=50 Гц медный экран оказывается эффективным лишь при значительной толщине стенок (так как длина волны в меди на этой частоте составляет около 6 см). В этом случае целесообразно использовать экран из ферромагнитного материала, в котором вследствие его высокой магнитной проницаемости электромагнитная волна затухает значительно быстрее, чем в меди. Следует отметить, что значительные потери в электромагнитных экранах часто ограничивают возможности их применения. Ферромагнитный экран оказывает экранирующее действие и при постоянном поле, так как магнитный поток внешнего поля проходит в основном по стенкам экрана, которые имеют меньшее магнитное сопротивление, и почти не проникает в его полость. При переменном поле его экранирующее действие значительно возрастает вследствие дополнительного экранирующего эффекта токов, возникающих в стенках экрана.

Действие экрана характеризуется коэффициентом экранирования К_э, который равен отношению напряженности поля Н_i внутри экрана к напряженности стороннего (первоначального) поля Н₀.

½К_э½=½Н_i/Н₀½.

Чем лучше экран, тем меньше будет коэффициент экранирования К_э.

Часто эффект экранирования характеризуется еще одной величиной, которая носит название экранного затухания и определяется по формуле

b_э=ln(1/½К_э½).

В реальных экранах коэффициент экранирования зависит не только от параметров материала (удельной проводимости g и магнитной проницаемости m), частоты и толщины стенок, но и от других конструктивных особенностей. Так, например, если поместить бесконечно длинный цилиндрический экран в поперечное однородное магнитное поле (рис. 5.2), то можно получить следующее выражение для коэффициента экранирования:

(5.7)

где d - толщина стенки экрана; k²=jwmg; R - наружный радиус экрана; j - мнимая единица; K₁=k₁Rm₀/m.

Как видно из выражения (5.7), коэффициент экранирования представляет собой комплексное число и зависит также от радиуса экрана.

Обычно экраны выполняют таким образом, чтобы соблюдалось условие ½k½R>>1, поскольку в противном случае действие экрана будет ничтожным. Поэтому в выражении для коэффициента экранирования (5.7) можно положить k₁=k.

Существенно отметить, что внутреннее поле (внутри экрана) так же как и внешнее поле, однородно и имеет то же направление.

При предельном значении частоты, равном нулю, для железных экранов (m>>m₀), будет наблюдаться так называемое магнитостатическое экранирование. Коэффициент экранирования при этом определяется при помощи следующего выражения:

Экран не только оказывает экранирующее действие, но и влияет на внешнее поле в области вне экрана. Степень влияния определяется при помощи так называемого коэффициента обратного действия экрана W_э. Например, если рассматривать выше приведенный экран в цилиндрической системе координат, расположив оси координат так, как показано на рис. 5.3, то вне экрана (r ³ R) обе составляющие напряженности магнитного поля можно определить следующим образом:

При этом коэффициент обратного действия определяется равенством

Все вышеприведенные выражения получены путем аналитического решения задачи по расчету электромагнитного поля. Однако такой расчет существенно усложняется, если вместо бесконечно длинного цилиндрического экрана рассматривать экран конечной длины. В этом случае формулы для расчета коэффициента экранирования и коэффициента обратного действия можно использовать с определенными оговорками только для средней части экрана, поскольку по длине экрана эти коэффициенты будут изменяться. Более того, обратное действие экрана конечной длины таково, что вблизи торцов вне экрана напряженность поля будет возрастать.

Технически экраны конструируются обычно из отдельных элементов, так что в их стенках всегда находятся стыки, в которых возможны зазоры.

Электромагнитный экранный эффект металлической оболочки, как было отмечено выше, обусловлен действием вихревых токов, наведенных в стенках оболочки переменным помехонесущим полем. Эти токи возбуждают поле, которое, взаимодействуя с помехонесущим полем в стенках оболочки, ослабляет его действие. Наведенные экранные токи протекают в плоскостях, перпендикулярных направлению помехонесущего поля. Если стыки в экранах расположены так, что экранным токам приходится их огибать, то эти токи ослабляются, а следовательно, уменьшается и их экранирующее действие. Говорят, что электромагнитное поле проникает внутрь экрана сквозь щель. Коэффициент экранирования такого экрана зависит от положения щели (угла a) по отношению к направлению силовых линий стороннего магнитного поля (рис. 5.4)

Расчет поля и коэффициентов экранирования таких экранов достаточно сложен, поэтому часто используют экспериментальные методы.