Магнітне екранування. Чи існує матеріал, який зменшує магнітне поле без впливу магнітного поля? Чим ізолювати магніт

Як зробити так, щоб два магніти, що знаходяться поряд один з одним, не відчували присутність один одного? Який матеріал потрібно розмістити між ними, щоб силові лінії магнітного поля від одного магніту не досягали другого магніту?

Це питання не таке тривіальне, як може здатися на перший погляд. Нам потрібно по-справжньому ізолювати два магніти. Тобто, щоб ці два магніти можна було по-різному повертати і по-різному переміщувати їх відносно один одного і тим не менше, щоб кожен з цих магнітів поводився так, ніби іншого магніту поряд немає. Тому будь-які фокуси з розміщенням поруч третього магніту або феромагнетика, для створення якоїсь особливої конфігурації магнітних полів з компенсацією всіх магнітних полів в одній окремо взятій точці, принципово не проходять.

Діамагнетик???

Іноді помилково думають, що таким ізолятором магнітного поля може бути діамагнетик. Але це не так. Діамагнетик справді послаблює магнітне поле. Але він послаблює магнітне поле лише у товщі самого діамагнетика, усередині діамагнетика. Через це багато хто помилково думає, що якщо один або обидва магніти замурувати в шматку діамагнетика, то, нібито, їхнє тяжіння або їхнє відштовхування послабшає.

Але це не є вирішенням проблеми. По-перше, силові лінії одного магніту все одно досягатимуть іншого магніту, тобто магнітне поле тільки зменшується в товщі діамагнетика, але не зникає зовсім. По-друге, якщо магніти замуровані в товщі діамагнетика, ми не можемо їх рухати і повертати відносно один одного.

А якщо зробити з діамагнетика просто плоский екран, то цей екран пропускатиме крізь себе магнітне поле. Причому, за цим екраном магнітне поле буде точно таке ж, якби цього діамагнітного екрана не було б взагалі.

Це говорить про те, що навіть замуровані в діамагнетик магніти не зазнають послаблення магнітного поля один одного. Адже там, де знаходиться замурований магніт, прямо в обсязі цього магніту діамагнетик просто відсутній. А якщо там, де знаходиться замурований магніт, відсутній діамагнетик, то значить, обидва замуровані магніти насправді взаємодіють один з одним так само, якби вони не були замуровані в діамагнетиці. Діамагнетик навколо цих магнітів також непотрібний, як і плоский діамагнітний екран між магнітами.

Ідеальний діамагнетик

Нам потрібен такий матеріал, який би взагалі не пропускав через себе силові лінії магнітного поля. Потрібно, щоб силові лінії магнітного поля виштовхувалися з такого матеріалу. Якщо силові лінії магнітного поля проходять через матеріал, то, за екраном такого матеріалу, вони повністю відновлюють всю свою силу. Це випливає із закону збереження магнітного потоку.

У діамагнетиці ослаблення зовнішнього магнітного поля відбувається з допомогою наведеного внутрішнього магнітного поля. Це магнітне поле створюють кругові струми електронів усередині атомів. При включенні зовнішнього магнітного поля електрони в атомах повинні почати рухатися навколо силових ліній зовнішнього магнітного поля. Це наведений круговий рух електронів в атомах і створює додаткове магнітне поле, завжди спрямоване проти зовнішнього магнітного поля. Тому сумарне магнітне поле в товщі діамагнетика стає меншим, ніж зовні.

Але повної компенсації зовнішнього поля за рахунок внутрішнього наведеного поля не відбувається. Не вистачає сили кругового струму в атомах діамагнетика, щоб створити таке саме магнітне поле, як зовнішнє магнітне поле. Тому в товщі діамагнетика залишаються силові лінії зовнішнього магнітного поля. Зовнішнє магнітне поле, хіба що, " пробиває " матеріал діамагнетика наскрізь.

Єдиний матеріал, який виштовхує із себе силові лінії магнітного поля, це надпровідник. У надпровіднику зовнішнє магнітне поле наводить такі кругові струми навколо силових ліній зовнішнього поля, які створюють протилежно спрямоване магнітне поле в точності, що дорівнює зовнішньому магнітному полю. У цьому сенсі надпровідник є ідеальним діамагнетиком.

На поверхні надпровідника вектор напруженості магнітного поля завжди спрямований уздовж цієї поверхні по дотичній до поверхні надпровідного тіла. На поверхні надпровідника вектор магнітного поля не має складової, спрямованої перпендикулярно поверхні надпровідника. Тому силові лінії магнітного поля завжди огинають надпровідне тіло будь-якої форми.

Огинання надпровідника лініями магнітного поля

Але це зовсім не означає, що якщо між двома магнітами поставити надпровідний екран, він вирішить поставлене завдання. Справа в тому, що силові лінії магнітного поля магніту підуть до іншого магніту в обхід екрана надпровідника. Тому від плоского надпровідного екрану буде лише послаблення впливу магнітів один на одного.

Це ослаблення взаємодії двох магнітів залежатиме від того, наскільки збільшилася довжина силової лінії, яка з'єднує два магніти один з одним. Чим більше довжини силових ліній, що з'єднують, тим менша взаємодія двох магнітів один з одним.

Це такий самий ефект, як якщо збільшувати відстань між магнітами без будь-якого надпровідного екрану. Якщо збільшувати відстань між магнітами, то довжини силових ліній магнітного поля також збільшуються.

Значить, для збільшення довжин силових ліній, які з'єднують два магніти в обхід надпровідного екрану, потрібно збільшувати розміри цього плоского екрана і за довжиною і шириною. Це призведе до збільшення довжин обхідних силових ліній. І чим більші розміри плоского екрана в порівнянні з відстанню між магнітами, тим взаємодія між магнітами стає меншою.

Взаємодія між магнітами повністю зникає лише тоді, коли обидва розміри плоского надпровідного екрана стають нескінченними. Це аналог тієї ситуації, коли магніти розвели на нескінченно велику відстань, і тому довжина силових ліній магнітного поля, що їх з'єднують, стала нескінченною.

Теоретично це, звичайно, повністю вирішує поставлене завдання. Але на практиці ми не можемо зробити надпровідний плоский екран нескінченних розмірів. Хотілося б мати таке рішення, яке можна здійснити на практиці в лабораторії чи виробництві. (Про побутові умови не йдеться, оскільки в побуті неможливо зробити надпровідник.)

Поділ простору надпровідником

Інакше, плоский екран нескінченно великих розмірів можна інтерпретувати як роздільник всього тривимірного простору дві частини, які пов'язані друг з одним. Але простір на дві частини може розділити як плоский екран нескінченних розмірів. Будь-яка замкнута поверхня ділить простір теж на дві частини, на об'єм усередині замкнутої поверхні та об'єм поза замкнутою поверхнею. Наприклад, будь-яка сфера поділяє простір на дві частини: кулю всередині сфери і все, що зовні.

Тому надпровідна сфера є ідеальним ізолятором магнітного поля. Якщо помістити магніт у таку надпровідну сферу, то ніколи ніякими приладами не вдається виявити, чи є всередині цієї сфери магніт чи його там немає.

І навпаки, якщо Вас помістити всередину такої сфери, то на Вас не діятимуть зовнішні магнітні поля. Наприклад, магнітне поле Землі неможливо буде виявити всередині такої надпровідної сфери жодними приладами. Усередині такої надпровідної сфери можна буде виявити тільки магнітне поле від тих магнітів, які будуть також знаходитися всередині цієї сфери.

Таким чином, щоб два магніти не взаємодіяли один з одним, треба один з цих магнітів помістити всередину надпровідної сфери, а другий залишити зовні. Тоді магнітне поле першого магніту буде сконцентровано всередині сфери і не вийде за межі цієї сфери. Тому другий магніт не відчує приємність першого. Так само магнітне поле другого магніту не зможе залізти усередину надпровідної сфери. І тому перший магніт не відчує близьку присутність другого магніту.

Нарешті, обидва магніти ми можемо як завгодно повертати та переміщати один щодо одного. Щоправда, перший магніт обмежений у своїх переміщеннях радіусом надпровідної сфери. Але це лише так здається. Насправді взаємодія двох магнітів залежить тільки від їхнього відносного розташування та їх поворотів навколо центру тяжкості відповідного магніту. Тому достатньо розмістити центр тяжкості першого магніту в центрі сфери і туди ж центр сфери помістити початок координат. Всі можливі варіанти розташування магнітів будуть визначатися тільки всіма можливими варіантами розташування другого магніту щодо першого магніту та їх кутами поворотів навколо центрів мас.

Зрозуміло, замість сфери можна взяти будь-яку іншу форму поверхні, наприклад, еліпсоїд або поверхню у вигляді коробки і т.п. Аби вона ділила простір на дві частини. Тобто в цій поверхні не повинно бути дірочки, через яку може пролізти силова лінія, яка з'єднає внутрішній та зовнішній магніти.

Для екранування магнітного поля застосовуються два методи:

Метод шунтування;

Метод магнітного поля екраном.

Розглянемо докладніше кожен із цих методів.

Метод шунтування магнітного поля екраном.

Метод шунтування магнітного поля екраном застосовується для захисту від постійного змінного магнітного поля, що повільно змінює. Екрани виготовляються із феромагнітних матеріалів із великою відносною магнітною проникливістю (сталь, пермалою). За наявності екрану лінії магнітної індукції проходять в основному по його стінках (рисунок 8.15), які мають малий магнітний опір у порівнянні з повітряним простором усередині екрану. Якість екранування залежить від магнітної проникності екрану та опору магнитопровода, тобто. чим товстіший екран і чим менше швів, стиків, що йдуть поперек напряму ліній магнітної індукції, ефективність екранування буде вищою.

Метод витіснення магнітного поля екраном.

Метод витіснення магнітного поля екраном застосовується для екранування високочастотних змінних магнітних полів. У цьому використовуються екрани з немагнітних металів. Екранування ґрунтується на явищі індукції. Тут явище індукції корисне.

Поставимо по дорозі рівномірного змінного магнітного поля (рисунок 8.16, а) мідний циліндр. У ньому порушаться змінні ЕД, які, своєю чергою, створять змінні індукційні вихрові струми (струми Фуко). Магнітне поле цих струмів (рисунок 8.16 б) буде замкненим; всередині циліндра воно буде спрямоване назустріч збуджувальному полю, а за його межами - в той же бік, що й збуджуюче поле. Результуюче поле (рисунок 8.16, в) виявляється ослабленим у циліндра та посиленим поза ним, тобто. відбувається витіснення поля з простору, займаного циліндром, у чому полягає його екранирующее дію, що буде тим ефективніше, що менше електричний опір циліндра, тобто. що більше протікають у ньому вихрові струми.

Завдяки поверхневому ефекту («скінефекту») щільність вихрових струмів та напруженість змінного магнітного поля в міру заглиблення в метал падає за експоненційним законом

, (8.5)

де (8.6)

– показник зменшення поля та струму, що називається еквівалентною глибиною проникнення.

Тут - відносна магнітна проникність матеріалу;

- магнітна проникність вакууму, що дорівнює 1.25 * 10 8 гн * см -1;

- Питомий опір матеріалу, Ом * см;

- Частота, Гц.

Величиною еквівалентної глибини проникнення зручно характеризувати екрануючий ефект вихрових струмів. Чим менше х 0 тим більше створюване ними магнітне поле, що витісняє з простору зайнятого екраном, зовнішнє поле джерела наведення.

Для немагнітного матеріалу у формулі (8.6) =1, екрануючий ефект визначається тільки . А якщо екран зробити із феромагнітного матеріалу?

При рівних ефект буде кращим, тому що >1 (50..100) і х 0 буде менше.

Отже, х 0 є критерієм екрануючого ефекту вихрових струмів. Цікавить оцінити, у скільки разів щільність струму і напруженість магнітного поля стає меншою на глибині х 0 в порівнянні, ніж на поверхні. Для цього у формулу (8.5) підставимо х = х 0 тоді

звідки видно, що у глибині х 0 щільність струму і напруженість магнітного поля падають в раз, тобто. до величини 1/2.72, що становить 0.37 від щільності та напруженості на поверхні. Так як ослаблення поля всього в 2.72 разина глибині х 0 недостатньо для характеристики екрануючого матеріалу, то користуються ще двома величинами глибини проникнення х 0,1 і х 0,01 , що характеризують падіння щільності струму та напруги поля в 10 та 100 разів від їх значень на поверхні.

Виразимо значення х 0,1 і х 0,01 через величину х 0 для цього на підставу виразу (8.5) складемо рівняння

І ,

вирішивши які отримаємо

х 0.1 = х 0 ln10 = 2.3x 0; (8.7)

х 0.01 = х 0 ln100 = 4.6x 0

На підставі формул (8.6) та (8.7) для різних екрануючих матеріалів у літературі наведено значення глибин проникнення. Ці ж дані, з метою наочності, наведемо й у вигляді таблиці 8.1.

З таблиці видно, що всім високих частот, починаючи з діапазону середніх хвиль, екран з будь-якого металу товщиною 0,5..1,5 мм діє дуже ефективно. При виборі товщини та матеріалу екрана слід виходити не з електричних властивостей матеріалу, а керуватися міркуваннями механічної міцності, жорсткості, стійкості проти корозії, зручності стикування окремих деталей та здійснення між ними перехідних контактів з малим опором, зручності паяння, зварювання та ін.

З даних таблиці випливає, що для частот більше 10 МГЦ плівка з міді і тим більше зі срібла завтовшки менше 0.1 мм дає значний екрануючий ефект. Тому на частотах вище 10 МГц цілком допустимо застосування екранів із фольгованого гетинаксу або іншого ізоляційного матеріалу з нанесеним на нього мідним або срібним покриттям.

Сталь можна використовувати як екрани, тільки потрібно пам'ятати, що через великий питомий опір і явища гістерези екран зі сталі може вносити в ланцюзі значні втрати.

Фільтрування

Фільтрація є основним засобом ослаблення конструктивних перешкод, створюваних у ланцюгах живлення та комутації постійного та змінного струму ЕС. Призначені для цієї мети завадодавні фільтри дозволяють знижувати кондуктивні перешкоди, як від зовнішніх, так і від внутрішніх джерел. Ефективність фільтрації визначається загасанням фільтра, що вноситься:

дБ,

До фільтру пред'являються такі основні вимоги:

Забезпечення заданої ефективності S в необхідному частотному діапазоні (з урахуванням внутрішнього опору та навантаження електричного ланцюга);

Обмеження допустимого падіння постійної чи змінної напруги на фільтрі при максимальному струмі навантаження;

Забезпечення допустимих нелінійних спотворень напруги живлення, що визначають вимоги до лінійності фільтра;

Конструктивні вимоги – ефективність екранування, мінімальні габаритні розміри та маса, забезпечення нормального теплового режиму, стійкість до механічних та кліматичних впливів, технологічність конструкції тощо;

Елементи фільтра повинні вибиратися з урахуванням номінальних струмів та напруг електричного ланцюга, а також викликаних у них кидків напруг та струмів, викликаних нестабільністю електричного режиму та перехідними процесами.

Конденсатори.Застосовуються як самостійні завадодавні елементи і як паралельні ланки фільтрів. Конструктивно завадодавні конденсатори діляться на:

Двополюсні типу К50-6, К52-1Б, ЦЕ, К53-1А;

Опорні типу КО, КО-Е, КДО;

Прохідні некоаксіальні типу К73-21;

Прохідні коаксіальні типу КТП-44, К10-44, К73-18, К53-17;

Конденсаторні блоки;

Основною характеристикою перешкододавлюючого конденсатора є залежність його імпедансу від частоти. Для ослаблення перешкод у діапазоні частот приблизно до 10МГц можна використовувати двополюсні конденсатори з урахуванням малої довжини висновків. Опорні завадодавні конденсатори застосовуються до частот 30-50 МГц. Симетричні прохідні конденсатори використовуються у двопровідному ланцюзі до частот близько 100 МГц. Прохідні конденсатори працюють у широкому діапазоні частот приблизно до 1000 МГц.

Індуктивні елементи. Застосовуються як самостійні елементи придушення перешкод і як послідовні ланки фільтрів, що перешкоджають перешкодам. Конструктивно найбільш поширені дроселі спеціальних видів:

Виткові на феромагнітному осерді;

Безвиткові.

Основною характеристикою перешкододавлюючого дроселя є залежність його імпедансу від частоти. При низьких частотах рекомендується застосування магнітодіелектричних сердечників марок ПП90 та ПП250, виготовлених на основі м-пермалою. Для придушення перешкод у ланцюгах апаратури зі струмами до 3А рекомендується використовувати ВЧ-дроселі типу ДМ, при більших номінальних значеннях струмів – дроселі серії Д200.

Фільтри.Керамічні прохідні фільтри типу Б7, Б14, Б23 призначені для придушення перешкод у ланцюгах постійного, пульсуючого та змінного струмів у діапазоні частот від 10 МГц до 10ГГц. Конструкції таких фільтрів представлені малюнку 8.17

Внесені фільтрами Б7, Б14, Б23 згасання в діапазоні частот 10...100 МГц зростає приблизно від 20...30 до 50...60 дБ і в діапазоні частот понад 100 МГц перевищує 50 дБ.

Керамічні прохідні фільтри типу Б23Б побудовані на основі керамічних дискових конденсаторів і безвиткових феромагнітних дроселів (рисунок 8.18).

Безвиткові дроселі є трубчастий феромагнітний сердечник з фериту марки 50 ВЧ-2, одягнений на прохідний висновок. Індуктивність дроселя становить 0.08…0.13 мкГн. Корпус фільтра виготовлений з керамічного матеріалу УФ-61, що має високу механічну міцність. Корпус металізований шаром срібла для забезпечення малого перехідного опору між зовнішньою обкладкою конденсатора та заземлюючою різьбовою втулкою, за допомогою якої здійснюється кріплення фільтра. Конденсатор по зовнішньому периметру припаяний до корпусу фільтра, а за внутрішнім – до прохідного виводу. Герметизація фільтра забезпечується заливкою торців корпусу компаундом.

Для фільтрів Б23Б:

номінальні ємності фільтрів – від 0.01 до 6.8 мкФ,

номінальна напруга 50 і 250В,

номінальний струм до 20А,

Габаритні розміри фільтра:

L = 25мм, D = 12мм

Загасання, що вноситься фільтрами Б23Б, в діапазоні частот від 10 кГц до 10 МГц зростає приблизно від 30..50 до 60..70 дБ і в діапазоні частот понад 10 МГц перевищує 70 дБ.

Для бортових ЕС перспективним є застосування спеціальних завадодавних проводів з феронаповнювачами, що мають високу магнітну проникність і великі питомі втрати. Так у проводів марки ППЕ загасання в діапазоні частот 1 ... 1000 МГц зростає з 6 до 128 дБ/м.

Відома конструкція багатоштирьових роз'ємів, в яких на кожен контакт встановлюється по одному П-подібному помехоподавляющему фільтру.

Габаритні розміри вбудованого фільтра:

довжина 9.5 мм,

діаметр 3,2 мм.

Загасання, що вноситься фільтром в 50-омной ланцюга становить 20 дБ на частоті 10МГц і до 80 дБ на частоті 100МГц.

Фільтрування ланцюгів живлення цифрових РЕМ.

Імпульсні перешкоди в шинах живлення, що виникають у процесі комутації цифрових інтегральних схем (ЦІС), а також проникають зовнішнім шляхом можуть призводити до появи збоїв у роботі пристроїв цифрової обробки інформації.

Для зниження рівня перешкод у шинах харчування застосовуються схемно-конструкторські методи:

Зменшення індуктивності шин «живлення», з урахуванням взаємного магнітного зв'язку прямого та зворотного провідників;

Скорочення довжин ділянок шин «живлення», які є спільними для струмів для різних ЦІС;

Уповільнення фронтів імпульсних струмів у шинах «живлення» за допомогою перешкододавлюючих конденсаторів;

Раціональна топологія ланцюгів живлення на друкованій платі.

Збільшення розмірів поперечного перерізу провідників призводить до зменшення власної індуктивності шин, а також знижує активний опір. Останнє особливо важливе у разі шини «земля», яка є зворотним провідником для сигнальних ланцюгів. Тому в багатошарових друкованих платах бажано виконати шини «живлення» у вигляді площин, що проводять, розташованих у сусідніх шарах (рисунок 8.19).

Навісні шини живлення, що застосовуються в друкованих вузлах на цифрових ІС, мають великі поперечні розміри порівняно з шинами, виконаними у вигляді друкованих провідників, а отже, і меншу індуктивність та опір. Додатковими перевагами навісних шин є:

Спрощене трасування сигнальних ланцюгів;

Підвищення жорсткості ПП за рахунок створення додаткових ребер, що виконують роль обмежувачів, що оберігають ІВ з навісними ЕРЕ від механічних пошкоджень при монтажі та налаштуванні виробу (рис. 8.20).

Високою технологічністю відрізняються шини «живлення», виготовлені друкованим способом і вертикально, що кріпляться на ПП (рисунок 6.12в).

Відомі конструкції навісних шин, встановлених під корпус ІВ, що розташовуються на платі рядами (рис. 8.22).

Розглянуті конструкції шин «живлення» забезпечують також велику погонну ємність, що призводить до зменшення хвильового опору лінії «живлення» і, отже, зниження рівня імпульсних перешкод.

Розведення живлення ІС на ПП повинно здійснюватися не послідовно (рисунок 8.23а), а паралельно (рисунок 8.23б)

Необхідно використовувати розведення живлення як замкнутих контурів (рис.8.23в). Така конструкція наближається за своїми електричними параметрами до суцільних площин живлення. Для захисту від впливу зовнішнього магнітного поля, що перешкодить по периметру ПП, слід передбачити зовнішній замкнутий контур.

Заземлення

Система заземлення – це електричний ланцюг, що має властивість зберігати мінімальний потенціал, що є рівнем відліку в конкретному виробі. Система заземлення в ЕС повинна забезпечувати сигнальні та силові ланцюги повернення, захистити людей та обладнання від несправностей у ланцюгах джерел живлення, знімати статичні заряди.

До систем заземлення пред'являють такі основні вимоги:

1) мінімізація загального імпедансу шини "земля";

2) відсутність замкнутих контурів заземлення, чутливих до впливу магнітних полів.

В ЕС потрібно як мінімум три роздільні ланцюги заземлення:

Для сигнальних ланцюгів з низьким рівнем струмів та напруг;

Для силових ланцюгів з високим рівнем споживаної потужності (джерела живлення, вихідні каскади ЕС тощо)

Для корпусних ланцюгів (шасі, панелей, екранів та металізації).

Електричні ланцюги в ЕС заземлюються такими способами: в одній точці та в кількох точках, найближчих до опорної точки заземлення (рис. 8.24)

Відповідно системи заземлення можуть бути названі одноточковою та багатоточковою.

Найбільший рівень перешкод виникає у одноточковій системі заземлення із загальною послідовно включеною шиною «земля» (рисунок 8.24 а).

Чим далі видалена точка заземлення, тим вищий її потенціал. Її не слід застосовувати для ланцюгів з великим розкидом споживаної потужності, оскільки потужні ФУ створюють великі зворотні струми заземлення, які можуть впливати малосигнальні ФУ. За потреби найбільш критичний ФУ слід підключити якомога ближче до точки опорного заземлення.

p align="justify"> Багатоточкову систему заземлення (рисунок 8.24 в) слід використовувати для високочастотних схем (f≥10Мгц), підключаючи ФУ РЕМ в точках, найближчих до опорної точки заземлення.

Для чутливих схем застосовується схема із плаваючим заземленням (рисунок 8.25). Така заземлююча система вимагає повної ізоляції схеми від корпусу (високого опору та низької ємності), інакше вона виявляється малоефективною. Як джерела живлення схем можуть використовуватися сонячні елементи або акумулятори, а сигнали повинні надходити та залишати схему через трансформатори або оптрони.

Приклад реалізації розглянутих принципів заземлення для дев'ятидоріжкового цифрового накопичувача на магнітній стрічці показано малюнку 8.26.

Тут є такі шини землі: три сигнальні, одна силова та одна корпусна. Найбільш сприйнятливі до перешкод аналогові ФУ (дев'ять підсилювачів зчитування) заземлені двома розділеними шинами «земля». Дев'ять підсилювачів запису, які працюють із більшими, ніж підсилювачі зчитування, рівнями сигналів, а також ІС управління та схеми інтерфейсу з виробами передачі даних підключені до третьої сигнальної шини «земля». Три двигуни постійного струму та їх схеми керування, реле та соленоїди з'єднані з силовою шиною «земля». Найбільш сприйнятлива схема керування двигуном провідного валу підключена ближче за інших до опорної точки заземлення. Корпусна шина «земля» служить для підключення корпусу та кожуха. Сигнальна, силова та корпусна шини «земля» з'єднуються разом в одній точці у джерелі вторинного електроживлення. Слід зазначити доцільність складання структурних монтажних схем під час проектування РЕМ.

Екранування магнітних полів може бути здійснено двома методами:

Екранування за допомогою феромагнітних матеріалів.

Екранування за допомогою вихрових струмів.

Перший метод застосовується зазвичай при екрануванні постійних МП та полів низької частоти. Другий метод забезпечує значну ефективність під час екранування МП високої частоти. Через поверхневий ефект щільність вихрових струмів та напруженість змінного магнітного поля в міру заглиблення в метал падає за експоненційним законом:

Показник зменшення поля та струму, який називають еквівалентною глибиною проникнення.

Чим менша глибина проникнення, тим більший струм тече в поверхневих шарах екрану, тим більше створюване їм зворотне МП, що витісняє з простору, зайняте екраном, зовнішнє поле джерела наведення. Якщо екран зроблений з немагнітного матеріалу, то ефект, що екранує, залежатиме тільки від питомої провідності матеріалу і частоти екрануючого поля. Якщо екран зроблений з феромагнітного матеріалу, то за інших рівних умов зовнішнім полем у ньому наводитиметься велика е. д. с. завдяки більшій концентрації магнітних силових ліній. При однаковій питомій провідності матеріалу збільшаться вихрові струми, що призведе до меншої глибини проникнення і кращого ефекту, що екранує.

При виборі товщини і матеріалу екрану слід виходити не з електричних властивостей матеріалу, а керуватися міркуваннями механічної міцності, ваги, жорсткості, стійкості проти корозії, зручності стикування окремих деталей та здійснення між ними перехідних контактів з малим опором, зручності паяння, зварювання та іншим.

З даних таблиці видно, що з частот вище 10 МГц мідна і більше срібна плівки товщиною близько 0,1 мм дає значний екранирующий ефект. Тому на частотах вище 10 МГц цілком допустиме застосування екранів із фольгованого гетинаксу або склотекстоліту. На більших частотах сталь дає більший ефект, що екранує, ніж немагнітні метали. Однак варто враховувати, що такі екрани можуть вносити значні втрати в ланцюги, що екрануються, внаслідок великого питомого опору і явища гістерези. Тому такі екрани застосовні тільки в тих випадках, коли з втратами, що вносяться, можна не зважати. Так само для більшої ефективності екранування екран повинен мати менший магнітний опір, ніж повітря, тоді силові лінії магнітного поля прагнуть пройти по стінках екрана і в меншому числі проникають в простір поза екраном. Такий екран однаково придатний для захисту від впливу магнітного поля та захисту зовнішнього простору від впливу магнітного поля створеного джерелом всередині екрану.

Існує багато марок сталі та пермалою з різними величинами магнітної проникності, тому для кожного матеріалу потрібно розраховувати величину глибини проникнення. Розрахунок проводиться за наближеним рівнянням:

1) Захист від зовнішнього магнітного поля

Магнітні силові лінії зовнішнього магнітного поля (лінії індукції магнітного поля перешкод) проходитимуть в основному по товщі стінок екрану, що має малий магнітний опір у порівнянні з опором простору всередині екрану. В результаті зовнішнє магнітне поле перешкод не впливатиме на режим роботи електричного кола.

2) Екранування власного магнітного поля

Таке кранування використовується, якщо ставиться завдання захисту зовнішніх електричних ланцюгів від впливу магнітного поля, створюваного струмом котушки. Індуктивності L, тобто коли потрібно практично локалізувати перешкоди, створювані індуктивністю L, то таке завдання вирішується за допомогою магнітного екрану, як це схематично показано на малюнку. Тут майже всі силові лінії поля котушки індуктивності замикатимуться через товщу стінок екрану, не виходячи за їх межі внаслідок того, що магнітний опір екрана набагато менше опору навколишнього простору.

3) Подвійний екран

У подвійному магнітному екрані можна уявити, що частина магнітних силових ліній, які вийдуть за товщу стінок одного екрана, замкнуться через товщу стінок другого екрана. Так само можна уявити собі дію подвійного магнітного екрана при локалізації магнітних перешкод, створюваних елементом електричної ланцюга, що усередині першого (внутрішнього) екрана: переважна більшість магнітних силових ліній (лінії магнітного розсіювання) замкнеться через стінки зовнішнього екрана. Очевидно, що в подвійних екранах повинні бути оптимально обрані товщини стін і відстань між ними.

Загальний коефіцієнт екранування досягає найбільшої величини в тих випадках, коли товщина стінок і проміжок між екранами збільшується пропорційно відстані від центру екрану, причому величина проміжку є середньою геометричною величиною товщин стінок екранів, що примикають до нього. При цьому коефіцієнт екранування:

L = 20lg (H/Не)

Виготовлення подвійних екранів відповідно до зазначеної рекомендації практично утруднене з технологічних міркувань. Значно доцільніше вибрати відстань між оболонками, прилеглими до повітряного проміжку екранів, більшим, ніж товщина першого екрану, приблизно рівною відстані між стеікою першого екрану і краєм елемента ланцюга, що екранується (наприклад, котушки і ідуктивності). Вибір тієї чи іншої товщини стін магнітного екрану не можна зробити однозначним. Раціональна товщина стінок визначається. матеріалом екрану, частотою перешкоди та заданим коефіцієнтом екранування. При цьому корисно враховувати таке.

1. При підвищенні частоти перешкод (частоти змінного магнітного поля перешкод) магнітна проникність матеріалів падає і викликає зниження екрануючих властивостей цих матеріалів, так як у міру зниження магнітної проникності зростає опір магнітному потоку, що надається екраном. Як правило, зменшення магнітної проникності з підвищенням частоти йде найбільш інтенсивно у магнітних матеріалів, у яких є найбільша початкова магнітна проникність. Наприклад, листова електротехнічна сталь з малою початковою магнітною проникністю мало змінює величину jx з підвищенням частоти, а пермалою, що має великі початкові значення магнітної проникності, дуже чутливий до підвищення частоти магнітного поля; магнітна проникність у нього різко падає із частотою.

2. У магнітних матеріалах, схильних до дії високочастотного магнітного поля перешкод, помітно проявляється поверхневий ефект, тобто витіснення магнітного потоку до поверхні стінок екрану, викликаючи збільшення магнітного опору екрану. За таких умов здається, що майже марно збільшувати товщину стінок екрану за межі тих величин, які зайняті магнітним потоком при даній частоті. Такий висновок неправильний, оскільки збільшення товщини стін призводить до зниження магнітного опору екрану навіть за наявності поверхневого ефекту. При цьому одночасно слід враховувати зміну магнітної проникності. Так як явище поверхневого ефекту в магнітних матеріалах зазвичай починає позначатися помітніше, ніж зниження магнітної проникності в області низьких частот, вплив обох факторів на вибір товщини стінок екрана буде різним на різних діапазонах частот магнітних перешкод. Як правило, зниження властивостей екрануючих з підвищенням частоти перешкоди сильніше проявляється в екранах з матеріалів з високою початковою магнітною проникністю. Зазначені вище особливості магнітних матеріалів дають підставу для рекомендацій щодо вибору матеріалів та товщини стінок магнітних екранів. Ці рекомендації можуть бути зведені до таких:

А) екрани зі звичайної електротехнічної (трансформаторної) сталі, що мають малу початкову магнітну проникність, можна застосовувати при необхідності забезпечити малі коефіцієнти екранування (Ке 10); такі екрани забезпечують майже постійний коефіцієнт екранування в досить широкій смузі частот, аж до кількох десятків кілогерців; товщина таких екранів залежить від частоти перешкоди, причому чим нижча частота, тим більша товщина екрана потрібна; наприклад, при частоті магнітного поля перешкод 50-100 гц товщина стінок екрана повинна бути приблизно 2 мм; якщо потрібно збільшення коефіцієнта екранування або більша товщина екрану, то доцільно застосовувати кілька екрануючих шарів (подвійних або потрійних екранів) меншої товщини;

Б) екрани з магнітних матеріалів з високою початковою проникністю (наприклад, пермалою) доцільно застосовувати при необхідності забезпечення великого коефіцієнта екранування (Ке > Ю) у порівняно вузькій смузі частот, причому товщину кожної оболонки магнітного екрану недоцільно вибирати більше 0,3-0,4 мм; Екрануюча дія таких екранів починає помітно падати на частотах, вище кількох сотень або тисяч герц, залежно від початкової проникності цих матеріалів.

Все сказане вище про магнітні екрани справедливо щодо слабких магнітних полів перешкод. Якщо ж екран знаходиться поблизу потужних джерел перешкод і в ньому виникають магнітні потоки з великою магнітною індукцією, то, як відомо, доводиться враховувати зміну магнітної динамічної проникності залежно від індукції; необхідно також враховувати втрати в товщі екрана. Практично ж з такими сильними джерелами магнітних полів перешкод, при яких треба було б зважати на їхню дію на екрани, не зустрічаються, за винятком деяких спеціальних випадків, що не передбачають радіоаматорську практику і нормальні умови роботи радіотехнічних пристроїв широкого застосування.

Тест

1. При магнітному екрануванні екран повинен:
1) Мати менший магнітний опір, ніж повітря
2) мати рівний повітря магнітним опором
3) мати більший магнітний опір, ніж повітря

2. Під час екранування магнітного поля Заземлення екрана:
1) Не впливає на ефективність екранування
2) Збільшує ефективність магнітного екранування
3) Зменшує ефективність магнітного екранування

3. На низьких частотах (<100кГц) эффективность магнитного экранирования зависит от:
а) Товщини екрана; б) Магнітної проникності матеріалу; в) Відстань між екраном та іншими магнітопроводами.
1) Правильно тільки а і б
2) Правильно тільки б і в
3) Правильно тільки а і в
4) Усі варіанти вірні

4. У магнітному екрануванні при низьких частотах використовується:
1) Мідь
2) Алюміній
3) Пермаллою.

5. У магнітному екрануванні при високих частотах використовується:
1) Залізо
2) Пермалою
3) Мідь

6. На високих частотах (>100кГц) ефективність магнітного екранування залежить від:
1) Товщини екрану

2) Магнітної проникності матеріалу
3) Відстань між екраном та іншими магнітопроводами.

Використана література:

2. Семененко, В. А. Інформаційна безпека / В. А. Семененко – Москва, 2008р.

3. Ярочкін, В. І. Інформаційна безпека / В. І. Ярочкін - Москва, 2000р.

4. Демірчан, К. С. Теоретичні основи електротехніки III том / К. С. Демірчан С.-П, 2003р.

Розглянемо звичайний стрижневий магніт: magnet 1 спирається поверхню North полюсом вгору. Підвісна відстань y " role="presentation" style="position: relative;"> Y y " role="presentation" style="position: relative;"> y " role="presentation" style="position: relative;">Yнад ним (підтримуваний з боку в бік пластиковою трубкою) знаходиться другий, менший стрижневий магніт, magnet 2 з North полюсом, зверненим вниз. Магнітні сили між ними перевищують силу тяжіння та утримують magnet 2 підвішеним. Розглянемо деякий матеріал, material-X, який рухається до зазору між двома магнітами з початковою швидкістю. v " role="presentation" style="position: relative;"> v v " role="presentation" style="position: relative;"> v " role="presentation" style="position: relative;">v ,

Чи існує матеріал, material-X , який зменшить відстань y " role="presentation" style="position: relative;"> Y y " role="presentation" style="position: relative;"> y " role="presentation" style="position: relative;">Yміж двома магнітами, і пройти через щілину без зміни швидкості v " role="presentation" style="position: relative;"> v v " role="presentation" style="position: relative;"> v " role="presentation" style="position: relative;">v ?

Любитель фізика

таке дивне питання

Відповіді

Jojo

Матеріал, який ви шукаєте, може бути надпровідником. Ці матеріали мають нульовий опір струму і, таким чином, можуть компенсувати проникні силові лінії в перших шарах матеріалу. Це називається ефектом Мейснера і є саме визначенням надпровідного стану.

У вашому випадку пластини між двома магнітами, це безперечно зменшить y " role="presentation" style="position: relative;"> Y y " role="presentation" style="position: relative;"> y " role="presentation" style="position: relative;">Y ,

Для швидкості:

Тут зазвичай вихрові струми, індуковані магнітним полем, призводять до втрати потужності, яка визначається як:

P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> п P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> = π P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> 2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> У P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> 2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> п P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> d P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> 2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> е P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> 2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> 6 k ρ D P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> , P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation"> P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">п P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">знак одно P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">π P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">В P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">п P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">d P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">е P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">2 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">6 P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">К P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">ρ P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">D P = π 2 B p 2 d 2 f 2 6 k ρ D , " role="presentation">,

оскільки, проте, надпровідник має нульовий опір і, таким чином, де-факто

ρ = ∞ " role="presentation"> ρ = ∞ ρ = ∞ " role="presentation"> ρ = ∞ " role="presentation">ρ ρ = ∞ " role="presentation">знак одно ρ = ∞ " role="presentation">∞

ніяка кінетична енергія не повинна бути втрачена, і таким чином швидкість залишиться незмінною.

Є лише одна проблема:

Надпровідник може існувати тільки при дуже низькій температурі, тому це може бути неможливо у випадку вашої машини... вам принаймні знадобиться система охолодження, що працює на рідкому азоті, щоб охолодити її.

Крім надпровідників, я не бачу ніякого можливого матеріалу, тому що, якщо матеріал є провідником, то у вас завжди є втрати через вихрові струми (в такий спосіб зменшуючи v " role="presentation" style="position: relative;"> v v " role="presentation" style="position: relative;"> v " role="presentation" style="position: relative;">v) або матеріал не є провідником (тоді y " role="presentation" style="position: relative;"> Y y " role="presentation" style="position: relative;"> y " role="presentation" style="position: relative;">Yне зменшиться).

adamdport

Це явище можна спостерігати в машині чи десь в експерименті?

Jojo

Справа, однак, у тому, що коли надпровідник входить у магнітне поле, силові лінії відхиляються, що буде пов'язане з роботою... тому насправді вхід в область між двома магнітами буде коштувати деяку енергію. Якщо пластина залишить область після, енергія буде відіграна.

Луперкус

Існують матеріали з дуже великою магнітною проникністю, наприклад, так званий µ-метал. Вони використовуються для виготовлення екранів, які послаблюють магнітне поле Землі на шляху електронного променя у чутливих електронно-оптичних приладах.

Оскільки ваше питання поєднує дві окремі частини, я поділю його, щоб розглянути кожну з них окремо.

1. Статичний випадок: магнітні полюси зближуються один з одним, коли між ними встановлена магнітно-екрануюча пластина?

Му-матеріали не "вбивають" магнітне поле між вашими магнітними полюсами, а лише відхиляють його напрямок, спрямовуючи частину його в металевий екран. Це сильно змінить напруженість поля B " role="presentation" style="position: relative;"> У B " role="presentation" style="position: relative;"> B " role="presentation" style="position: relative;">Вна поверхні екрана, майже пригнічуючи його паралельні компоненти. Це призводить до зниження магнітного тиску p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> p = B p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> 2 p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> 8 π p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> μ p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;"> p = B 2 8 π μ " role="presentation" p = B 2 8 π µ " role="presentation" p = B 2 8 π μ " role = "presentation" p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;">2 p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;">8 p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;">π p = B 2 8 π μ " role="presentation" style="position: relative;">μу безпосередній близькості від поверхні екрану. Якщо це зменшення магнітного поля на екрані значно змінить магнітний тиск дома магнітів, змушуючи їх рухатися? Боюся, тут потрібний докладний розрахунок.

2. Рух пластини: чи можливо, що швидкість екрануючої пластини не зміниться?

Розглянемо наступний дуже простий та інтуїтивно зрозумілий експеримент: візьміть мідну трубу та тримайте її вертикально. Візьміть маленький магніт і дайте йому впасти у трубу. Магніт падає: i) повільно та ii) з рівномірною швидкістю.

Ваша геометрія може бути зроблена схожою на геометрію падаючої труби: розгляньте стовпчик магнітів, що ширяють один над одним, тобто з парними полюсами, NN і SS. Тепер візьміть «багатопластинчастий» щит, зроблений з паралельних аркушів, які міцно утримуються на місці на однаковій відстані один від одного (наприклад, 2D-гребінка). Цей світ імітує кілька труб, що падають паралельно.

Якщо ви тепер утримуєте стовпчик магнітів у вертикальному напрямку і простягаєте через них багатопластинку з постійною силою (аналогом сили тяжіння), то ви досягнете режиму постійної швидкості - за аналогією з експериментом з трубою, що падає.

Це говорить про те, що стовпчик магнітів або, точніше кажучи, їхнє магнітне поле діє на мідні пластини в'язкого середовища:

M p lat e v ˙ = − γ B v + F p ul > role="presentation"> м m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> p l a t e m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> v m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> ˙ m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> = - γ m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> У m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> V+ F m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> п л л m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation"> m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation">м m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation">п m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation">L m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">T m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l "rolle="presentation">е m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">v m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">˙ m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation">знак одно m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">- m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">γ m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">В m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">v m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">+ m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">F m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation">п m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l " role="presentation">U m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation">L m p l a t e v ˙ = − γ B v + F p u l l role="presentation">L

Де γ B " role="presentation" style="position: relative;"> γ γ B " role="presentation" style="position: relative;"> γ B " role="presentation" style="position: relative;"> У γ B " role="presentation" style="position: relative;"> γ B " role="presentation" style="position: relative;">γ γ B " role="presentation" style="position: relative;">буде ефективний коефіцієнт тертя через магнітне поле, обурене присутністю пластин. Через деякий час ви зрештою досягнете режиму, в якому сила тертя компенсуватиме ваше зусилля, і швидкість залишиться постійною: v = ? v = F v = ? v = ? п л л v = ? v = ? γ v = ? v = ? У v = ? v = ? $v = ? v = ? v = ? v = ? v = ? v = ? v = ? v = ?,$

Якщо ця швидкість дорівнює швидкості, яка була у вас, перш ніж ви втягнули пластини в магнітне поле, це питання того, як ви керуєте силою тяжіння. Примітка: якщо немає тяги, то пластина буде просто зупинена ефектом магнітного гальма Таким чином, ви повинні тягнути відповідно, якщо хочете мати постійну швидкість.