Отчетные материалы
В лабораторной тетради представляются:
– заполненные таблицы;
– построенные экспериментальные зависимости (Т) для двух катушек на одном графике;
– построенные экспериментальные зависимости R(Т) для двух катушек (на одном графике);
– краткие выводы по исследуемой работе;
К защите прилагается РГЗ с задачами по теме Магнитные материалы.
Лабораторная работа № 8.2
″Магнитное экранирование″
Цели работы: изучить особенности магнитного экранирования постоянных и переменных полей, оценить эффективность экранирования различными магнитными материалами.
Приборы и принадлежности: источник постоянного напряжения 30 В, измерительные приборы: амперметр и электронный вольтметр, источник магнитного поля; индикатор магнитного поля – датчик Холла, магнитные и немагнитные экраны из различных материалов.
8.2. Общие сведения об экранировании магнитного поля
8.2.1. Электромагнитное экранирование
Электромагнитное поле оказывает существенное влияние на работу электрооборудования, попадающего в это поле.
Электромагнитной совместимостью понимается свойство радиоэлектронного оборудования и его частей (ячеек, блоков, шкафов, пультов) функционировать без ухудшения качественных показателей при заданной электромагнитной обстановке. Электромагнитное поле и его составляющие (электрическое поле и магнитное поле), в целом, ухудшают условия работы оборудования, и при недостаточной электромагнитной совместимости оборудование выходит из строя или работает не в штатном режиме.
В частности, высокое постоянное магнитное поле приводит к изменению электрического сопротивления полупроводниковых приборов, и соответственно, изменению режимов работы транзисторов, логических микросхем и микросхем памяти и т.п. При наличии в схеме магнитных элементов (катушек индуктивности, дросселей, магнитных реле и пускателей, ферритов и т.п.) за счет высокой напряженности внешнего магнитного поля происходит магнитное насыщение материала, и изделие не функционирует в заданном режиме.
В случае переменного магнитного поля на электрическое оборудование создаются значительные изменения магнитного потока, и, следовательно, вследствие явления электромагнитной индукции, в объеме материалов возникает дополнительная ЭДС индукции. Это, в свою очередь, приводит к возникновению переменной неуправляемой составляющей электрического поля, влияющей на работу микросхем и т.п.
При разработке конструкции того или иного электронного узла принимаются меры по обеспечению электромагнитной совместимости. Если схемотехнических решений недостаточно, то осуществляется дополнительное экранирование узлов, деталей или конструкций для уменьшения помех в необходимое число раз. Экранирование заключается в локализации электромагнитной энергии в определенном пространстве, или, напротив, созданию мер для непроникновения энергии в ту или иную область. Экран поглощает или отражает поток энергии, отводит его от защищаемой области.
Электромагнитное экранирование является наиболее общим и часто применяемым, так как в большинстве случаев оборудование работает как с постоянными (статическими) полями, с переменными полями (низкой и высокой частоты) а также подвергается воздействию собственно разнообразных электромагнитных волн.
Экранировка всей системы в целом позволяет значительно снизить вредное воздействие внешних электромагнитных помех.
Теоретическое решение задачи экранирования, определение значений напряженности электрических и магнитных полей в общем случае чрезвычайно затруднительно. Поэтому в зависимости от типа решаемой задачи рассматривают отдельные виды экранирования от:
– электростатического поля (электрическая защита);
– магнитостатического поля (статическая магнитная защита);
– переменного магнитного поля, изменяющегося с относительно низкой частотой (магнитная защита от низкочастотных полей);
– высокочастотных электромагнитных полей (электромагнитная защита).
Говоря об электромагнитном экранировании, следует учитывать возможные случаи воздействия: статического магнитного поля, низкочастотного магнитного поля, собственно, электромагнитного поля.
Принцип работы экрана заключается в отведении от системы, поглощении или отражении электромагнитных, электростатических, магнитных полей.
Можно выделить несколько возможных путей экранирования посредством:
– преломления силовых линий магнитного поля в толще экрана;
– поглощения магнитного поля в толще экрана;
– отражение электромагнитного поля от поверхности экрана.
Электростатическая (электрическая) защита
Электрическое поле является одной из разновидностей электромагнитного поля, поэтому, говоря об экранировании, отметим, как производится защита от чисто электрического поля.
Электростатическая (электрическая) защита является распространенным методом защиты оборудования или человека от воздействия наведенного (электростатического) заряда. Подобная защита достигается использованием заземленных металлических (немагнитных) тонких экранов (или сеток), созданных из проводящих материалов, в том числе, меди, алюминия, например, корпуса различных электрических приборов.
Подобная заземленная защита эффективна и для защиты от низкочастотных электрических полей, путем использования экранов из немагнитных материалов, например, алюминия или меди. Накопленный наведенный заряд стекает на землю из-за высокой электрической проводимости материалов экрана.
Другими словами, материалы с высокой проводимостью, такие как медь или алюминий, являются полезными для экранировки от электрических полей, от наведенных зарядов, но для низкочастотных магнитных полей они неэффективны.
Экранирование статического магнитного поля
Различают магнитостатические и электромагнитные экраны.
Несмотря на название, магнитостатические экраны применяют для защиты от магнитных полей от статического поля до поля с частотой до 3 кГц. Электромагнитные экраны используются для защиты от магнитных полей, имеющих частоты выше 3 кГц.
В магнитостатическом экране статическое (постоянное) магнитное поле экранируется за счет явления преломления силовых линий индукции В в толще магнитного экрана (рис. 5.9). Известно, что на границе раздела двух магнитных сред 1 и 2 (рис. 5.9, а), силовые линии индукции В испытывают преломление; нормальная Bn и тангенциальная B составляющие индукции:
B1n = B2n; B2/B1 = 2/1. (8.65)
а) б)
Рис. 8.10. Преломление силовых линий (а) и применение магнитного экрана (б)
Если магнитное поле проникает из воздуха (1 1) в объем экрана, имеющего 2 >> 1, то, очевидно, что чем больше магнитная проницаемость экрана, тем больше характер преломления линий (рис. 8.10, а). Именно поэтому экраном экранируется статическое магнитное поле (б).
Магнитостатические экраны целесообразно изготавливать из ферромагнитных материалов (пермаллои - сплавы Fe -Ni; стали; ферриты и др.) с большой относительной магнитной проницаемостью (табл. 8.3). Отметим, что это могут быть как магнитотвердые, так и магнитомягкие ферромагнитные материалы.
Таблица 8.3
Электромагнитные параметры отдельных экранирующих материалов
Параметр |
Медь |
Сталь Э44 |
Сталь Э330 |
Пермаллой 79НМ |
|
1 |
50 |
100 |
12000 |
Эквивалентная глубина проникновения, мм при частоте 100 Гц |
6,7 |
|
1,54 |
0,38 |
При наличии экрана толщиной 0,5 - 1,5 мм линии индукции В проходят, в основном, по его стенкам (рис. 8.10, б). Магнитный экран одинаково пригоден как для защиты объекта от воздействия внешнего магнитного поля, так и защиты внешнего пространства от магнитного поля, созданного источником заключенным внутри экрана.
При экранировании постоянных магнитных полей следует выполнять определенные основные рекомендации:
– применять материалы с высокой магнитной проницаемостью; для эффективного экранирования магнитных полей материал экрана должен быть ненасыщенным, т.е. рабочий диапазон магнитных полей Н должен быть до колена кривой намагничивания (рис. 8.3, а);
избегать в конструкции экрана стыков и швов, т.е. избегать скачков волновых сопротивлений на пути магнитных силовых линий поля помех;
повышать эффективность экрана, применяя многослойные конструкции тонких экранов (например, сталь - медь), не увеличивая толщину.
Наиболее эффективны экраны из комбинаций магнитных и немагнитных слоев (например, сталь-медь), причем наружный по отношению к источнику излучения поля слой предпочтительнее выполнять из материала, обладающего более выраженными магнитными свойствами.
Электромагнитные экраны
При экранировании переменного магнитного поля следует учитывать, что на низких частотах магнитное поле – поглощается экраном, на высоких - отражается от экрана. Различные среды обладают волновым сопротивлением Z (не путать с электрическим R), характеризующим особенности прохождения электромагнитной волны в материале экрана (см. работу № 2.3).
Высокие частоты
Отражение электромагнитных волн (высокие частоты) от экрана объясняется значительной разницей (несоответствием) между низким волновым сопротивлением металла и высоким волновым сопротивлением среды, в которой распространяется волна. Известно, что именно на границе раздела сред с различными волновыми сопротивлениями происходит отражение волн, т.е. волна не входит в экран и отражается.
Относительно низкие частоты
Применение магнитотвердых материалов для защиты от переменного магнитного поля (f > 3 кГц) неэффективно из-за инерционности изменения доменной структуры. Поэтому для защиты от относительно низкочастотных магнитных полей используются магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью (железо, железоникелевые сплавы пермаллои). Следует также учитывать, что магнитная проницаемость магнитомягких материалов снижается с ростом частоты изменения напряженности магнитного поля, поэтому экраны и из магнитомягких материалов на высоких частотах также не эффективны.
Высокие частоты (электромагнитное поле, электромагнитные волны)
Экранирование магнитных полей высокой частоты (фактически - экранирование от электромагнитных волн) достигается за счет отражения электромагнитной волны от экрана. В данном случае применяются экраны из меди (диамагнетик) и алюминия (парамагнетик), так как они отражают падающую волну из-за разницы волновых сопротивлений среды и экрана.
Эффективность экранирования магнетиками таких полей зависит от магнитной проницаемости экрана, его толщины. Этот вид экранирования, называемый магнитным шунтированием, дает небольшой и практически одинаковый экранирующий эффект во всем диапазоне низких частот.