Меню

Электромагнитный экран из меди

Электромагнитное экранирование

Под электромагнитным экранированием понимается комплекс мер, ограничивающих область распространения электромагнитных волн (сигналов). Это необходимо для:

  • обеспечения защиты людей от недопустимого для человеческого организма уровня электромагнитного воздействия;
  • исключения негативного взаимовлияния (создания индустриальных радиопомех) различных передающих и приемных радиоэлектронных устройств;
  • защиты информации в помещениях и технических каналах от несанкционированного съема;
  • обеспечения благоприятной электромагнитной обстановки вокруг работающих электроустановок и сверхвысокочастотных устройств.

Электромагнитный экран

Электромагнитный экран – это металлическая оболочка, которая используется для исключения влияния экранированного оборудования на другие приборы и людей. Путем окружения такой оболочкой источника переменного электромагнитного поля можно исключить влияние этого источника на устройства, расположенные вне оболочки.

Чем выше частота и толщина стенок экрана, тем экранирующее действие выше.

Эффективное экранирующее действие достигается при толщине стенок, которая равна длине волны в веществе экрана. Объясняется это тем, что в момент проникновения волны в проводящее полупространство происходит е2p-кратное ослабление поля. Другими словами, на таком расстоянии происходит фактически полное затухание волны. На практике считается, что затухание происходит уже на расстоянии, в два–три раза меньшем по сравнению с длиной.

Что касается частоты, то при ее увеличении уменьшается глубина проникновения (длина волны) электромагнитного поля в проводнике.

Для экранирования высокочастотных полей (радиочастоты) не нужно использовать экраны из ферромагнитных материалов, которые являются нежелательными из-за того, что их магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля и явления гистерезиса. Как правило, в данном случае для экранирования применяются хорошо проводящие материалы, например, медь или алюминий.

В случае промышленной частоты (50 Гц) медный экран уже малоэффективен, кроме случая, когда толщина стенок экрана является значительной. Объясняется это длиной волны на этой частоте в меди, составляющей порядка 6 см. И вот тут уже целесообразно для экранирования выбирать ферромагнитный материал, который благодаря своей высокой магнитной проницаемости обеспечит значительно более быстрое, нежели медь, затухание электромагнитной волны.

Бывает полное и частичное электромагнитное экранирование.

Экран может состоять из сплошного однородного металла или же представлять собой многослойную конструкцию. Многослойным экран делают для избежания эффекта насыщения. Желательно при этом, чтобы по отношению к экранируемому излучению каждый последующий слой имел начальное значение магнитной проницаемости большее, чем предыдущий.

При электромагнитном экранировании происходит потеря части энергии в экране. В связи с этим материал и размеры экрана при его разработке выбираются на основании допустимых потерь, вносимых экраном в экранируемую цепь.

Экранирование помещений

Под экранированием помещений понимают локализацию электромагнитного поля в какой-то отдельной комнате или части помещения для более или менее полного освобождения остальной среды от этого поля. Благодаря этому обеспечивается защита как людей от воздействия электромагнитных полей, так и радиоэлектронных приборов от внешних полей. Кроме того, локализуются собственные излучения этих приборов, это препятствует появлению их в окружающем пространстве.

Посредством экранирования помещений, где происходят прием, передача и обработка конфиденциальных данных, возможно снижение уровней электромагнитных излучений до заданных величин, что, в свою очередь, делает почти невозможным несанкционированных съем данной информации.

Источник

5.3. 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 2 p = 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.

Читайте также:  Меди захарова ирина владимировна

Действие экрана характеризуется коэффициентом экранирования Кэ, который равен отношению напряженности поля Нi внутри экрана к напряженности стороннего (первоначального) поля Н.

Чем лучше экран, тем меньше будет коэффициент экранирования Кэ.

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

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:

где d – толщина стенки экрана; k 2 =jwmg; R – наружный радиус экрана; j – мнимая единица; K1=k1Rm/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 ?k?R>>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>>m), 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 Wэ. Например, если рассматривать выше приведенный экран в цилиндрической системе координат, расположив оси координат так, как показано на рис. 5.3, то вне экрана (r ?

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.

Источник

Электромагнитное экранирование

Наиболее существенное ослабление воздействиям ЭМИ на электронные системы и их элементы можно получить, применяя электромагнитные экраны [1, 3, 5].

Электромагнитными экранами называются конструкции, предназначенные для ослабления электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников, и широко используемые в современной электротехники.

В подавляющем большинстве случаев электромагнитные экраны делаются из металла: меди, алюминия, стали.

Принцип действия электромагнитного экрана заключается в следующем. Под действием первичного поля на поверхности экрана индуцируются заряды, а в его толще – токи и магнитная поляризация. Эти заряды, токи и поляризация создают вторичное поле. От сложения вторичного поля с первичным образуется результирующее поле, которое оказывается слабее первичного в защищаемой области пространства.

Таким образом, можно считать, что электромагнитный экран отражает и направляет поток электромагнитной энергии и отводит его от защищаемой области.

Электромагнитный экран – система линейная; отсюда следует, что для него справедлив принцип взаимности перемещений. Сказанное, в частности, означает, что эффективность экрана — коробки сохраняется одной и той же независимо от того расположен ли внутри него источник поля или защищенная область пространства. Это положение имеет большое практическое значение, так как при излучении эффективности экранирования позволяет ограничиться случаем расположения источника поля внутри экрана.

Количественную оценку эффективности электромагнитного экрана (эффективность экранирования) можно характеризовать отношением напряженности поля в защищенной области пространства при отсутствии экрана Е, Н и при наличии его (Е, Н):

Читайте также:  Прием меди в шушарах

Величина ЭЕ, Н может быть выражена в простых отношениях или в децибелах (дБ).

Эффективность экрана существенно зависит от характера источника поля. Разнообразие возможных источников бесконечно: однако любой реальный источник может быть с необходимой точностью представлен в виде более или менее сложной совокупности электрических диполей и витков (рамок) с током (магнитных диполей).

В основе различия поведения экрана по отношению к разным реальным источникам лежит различие в его поведении по отношению к электрическому и магнитному диполям. Последнее различие является следствием разной структуры полей этих двух источников. В свободном пространстве при

где r – расстояние от источника;

λ – длина волны, различие в структурах полей обоих источников стирается: в любой точке пространства Е и Н практически синфазны, а их отношение оказывается почти такими же, как и в плоской волне, т.е. Е/Н = 120π Ом.

Только в простейших случаях эффективность экрана определяется однозначно (например, экранирование полупространства от плоской электромагнитной волны бесконечным однородным экраном).

Для последнего случая можно получить формулу, удобную для практических расчетов:

где σ – удельная проводимость материала экрана, см/м;

δ – эквивалентная глубина проникновения,

т.е. расстояние, на котором электромагнитная волна ослабевает в е раз и отстает на π/2 .

где A – коэффициент материала;

μa – абсолютная магнитная проницаемость;

f – частота электромагнитного излучения, Гц.

Электрофизические параметры, данные об эквивалентной глубине проникновения для материалов экранов, представляющих наибольший интерес, приведены в таблицах 5.8 и 5.9.

Таблица 5.8 Электрические параметры некоторых металлов

Показатель Медь Латунь Алюминий Сталь Пермаллой
Удельное сопротивление φ, Ом·мм 2 /м 0,0175 0,06 0,03 0,1 0,65
Удельная проводимость σ, См/м 5,7·10 7 16,6·10 7 33·10 7 10·10 7 1,54·10 7
Относительная магнитная проницаемость μr 12 000
Коэффициент материала экрана A, мсГц 1/2 6,7·10 –2 6,7·10 –2 8,8·10 –2 2,3·10 –2 1,54·10 –2 0,36·10 –2

Таблица 5.9. Эквивалентная глубина проникновения δ для различных экранирующих материалов, мм

Частота f, Гц Медь Латунь Алюминий Сталь Пермаллой μr = 12 000
μr = 50 μr = 100
10 2 6,700 12,400 8,800 2,300 1,540 0,380
10 3 2,100 3,900 2,750 0,700 0,490 0,120
10 4 0,670 1,240 0,880 0,230 0,154 0,038
10 5 0,210 0,390 0,275 0,070 0,049 0,012

На высоких частотах при относительно большой толщине материала d > δ эффективность экрана можно определить по приближенному уравнению

где d – толщина стенок экрана;

δ – эквивалентная глубина проникновения;

D – ширина прямоугольного экрана или диаметр цилиндрического или сферического;

μr – относительная магнитная проницаемость;

m – коэффициент формы экрана, для прямоугольного m = 1, для цилиндрического m = 2 и для сферического m = 3.

Величину Эпл можно рассматривать как произведение двух сомножителей:

Первый из сомножителей характеризует эффективность отражения первичной падающей волны электрического поля от поверхности экрана.

Можно получить следующие приближенные зависимости для оценки величины первого сомножителя зависимости (5.14):

Из формулы (5.15) видно, что с увеличением толщины экрана величина Эпл.отр возрастает до некоторой величины, после чего не меняется. Это и понятно, так как при d > δ явления на поверхности практически перестают зависеть от d.

С повышением частоты эффективность отражения сначала сохраняется неизменной, а потом начинает уменьшаться и при d > δ оказывается практически обратно пропорциональной . Причина в том, что из-за поверхностного эффекта возрастает поверхностное сопротивление экрана.

Второй сомножитель формулы (5.14) характеризует степень ослабления электрической составляющей при проникновении поля сквозь толщу стенки экрана. Приближенно его можно оценить по зависимости

Формулы (5.12) позволяют сравнивать между собой различные металлы, как материалы для экрана. Действительно, при d/δ d/ δ . А так как у стали толщина поверхностного слоя много меньше, чем у меди и алюминия, то стальной экран оказывается более эффективным. Граничная частота fгр, при которой эффективность стального и медного экранов одна, зависит от d и определяется формулой

где μ – относительная магнитная проницаемость стали.

При произвольной форме экрана и конечных размерах диполя (источника поля) количественная оценка эффективности экранирования сильно затруднена. Поэтому для получения такой оценки обратимся к простейшему случаю – шаровому экрану.

Эффективность шарового экрана с внутренним радиусом R и толщиной стенок d по отношению к элементарному диполю, расположенному в его центре, при d

Таблица 5.10. Эффективность экранов различной толщины

d, мм Э
медь алюминий сталь (μ = 100)
0,1
1,0
2,0 5,1·10 5
4,0 1,5·10 4 3,2·10 3 1,5·10 11

В случае замкнутого экрана поле может проникнуть в экран только через толщу стенок.

Из сказанного ранее следует, что соответствующим выбором материала экрана и толщины стенок принципиально можно получить сколь угодно большую эффективность экранирования. В реальных же экранах неизбежны более или менее значительные отверстия и щели, которые образуют дополнительный канал для проникновения поля. Вследствие этого эффективность экрана уменьшается.

Если стенки очень тонкие, а отверстия и щели незначительны, то поле внутри экрана создается в основном за счет проникновения через стенки. Смена материала и утолщение стенок могут в этом случае повысить эффективность экранирования. Напротив, если стенки относительно толстые, а отверстия и щели значительны, то поле внутри экрана создается в основном за счет проникновения через эти отверстия и щели, так что утолщение стенок малоэффективно.

Читайте также:  Медь это пластичный металл

В большинстве ситуаций свойства экрана часто определяются не толщиной и типом материала, а дефектами – отклонениями от идеальной конструкции. Этими дефектами являются в основном различные отверстия и щели (нарушения однородности экрана).

Анализ проникновения электромагнитного поля через малое отверстие в бесконечно тонком идеально проводящем экране позволяет сделать следующие выводы. Круглое и квадратное отверстие одной и той же площади пропускают электромагнитное поле практически одинаково. Через узкую щель поле проникает слабее, чем через квадратное отверстие той же площади. Особый интерес представляет то обстоятельство, что при данной форме отверстия момент эквивалентности диполя пропорционален площади этого отверстия в степени три вторых. Из этого следует, что замена одного большого отверстия несколькими малыми, общая площадь которых равна площади этого большого отверстия, будет способствовать улучшению эффективности экрана. Расчеты показывают, что замена одного большого отверстия N малыми с той же общей площадью, ведет к ослаблению поля, проникающего в защищаемую область пространства в раз.

Ориентировочно ослабление поля, проникающего через отверстие, вследствие конечности толщины стенок d можно учесть, рассматривая отверстие как запредельный волновод – волноводный фильтр. Обозначив коэффициент ослабления такого поля через Эα, можно соответственно принять

где α зависит от характера поля, формы и величины отверстия. Значение α для круглого и прямоугольного отверстия приведены в таблице 5.11.

Проникновение поля через отверстие может быть существенно ослаблено путем насадки на это отверстие патрубка.

При этом величина Эα может быть найдена по формуле (5.20) с заменой в ней d на длину патрубка l.

Таблица 5.11. Зависимость коэффициента α от формы и величины отверстия в экране

Форма отверстия α
квазиэлектростатическое поле квазимагнитостатическое поле
Круглое с радиусом R
Прямоугольное с шириной b и длиной a

Значительное ослабление проникновения поля через отверстие можно получить, применяя разделение одного большого отверстия на несколько малых с одновременным применением патрубков [8, 9].

В учебном пособии рассматриваются основные проблемы ЭМС различных радиоэлектронных средств.

В первой главе проведен анализ основных источников ЭВМ и рассмотрены предельно доступные уровни электромагнитного поля для потребительской продукции, на рабочих местах и населения.

Во второй главе рассмотрены естественные источники, подробно описывается электромагнитная обстановка, дана теория области близких и волновых зон грозовых разрядов. Проведены основные методы грозозащиты оборудования, локальных сетей, линий передач (коаксиальных).

Подробно рассмотрен пример устройства грозозащиты для бытового применения.

Мощные радиопередающие средства создают МЭМП в первую очередь излучением антенн как над поверхностью земли, так и в подземный район и излучения РЭС.

Приведена инженерная методика расчета стоимости РЭС к воздействию МЭМП.

В пятой главе рассмотрена методика оценки устойчивости РЭС к воздействию электромагнитного импульса ядерного взрыва и рассмотрены практические задачи электромагнитного экранирования, решаемые в курсовом и дипломном проектировании.

Список литературы

1. Иванов В.А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств / В.А. Иванов, Л.Я. Ильинский, М.И. Фузик. – К.: Техника, 1983. – 120 с.

2. Князев, А.Д. Элементы теории и практики электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1984. – 336 с.

3. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / под ред. В.И. Кравченко. – М.: Радио и связь, 1984. – 256 с.

4. Крылов, В.А. Защита от электромагнитных излучений / В.А. Крылов, Т.В. Югенков. – М.: Советское радио, 1972. – 216 с.

5. Уайт, Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи / Д. Уайт; пер. с англ. – М.: Советское радио, 1977. – Вып. 1. – 348 с.

6. ГОСТ 11001–80. Измерители радиопомех. Общие требования.

7. Михайлов, А.С. Измерение параметров ЭМС РЭС / А.С. Михайлов. – М.: Связь, 1980. – 244 с.

8. Михайлов, А.С. Справочник по расчету электромагнитных экранов / А.С. Михайлов. – М.: Энергоатом изд-во, 1988. – 244 с.

9. ГОСТ Р 51724–2001. Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное.

10. САНПИН 2.2.4.1191–03 Электромагнитные поля в производст-венных условиях. Постановление о введении в действие санитарных правил и нормативов.

Введение
Проблема электромагнитной совместимости
1.1 Электромагнитное поле, его виды и классификация
1.2 Основные источники электромагнитного поля
Естественные источники
2.1 Влияние грозовых разрядов на радиоэлектронные средства
2.2 Электромагнитная обстановка
Грозозащита
3.1 Защита оборудования от грозы
3.2 Грозозащита локальных сетей
3.3 Защита коаксиальных кабелей
3.4 Пример устройства грозозащиты
Мощные радиопередающие средства
4.1 Электромагнитное излучение антенн
4.2 Формирование ЭМО и ее характеристики
4.3 Расчеты стойкости РЭС к воздействию МЭМП
4.3.1 Формирование модели взаимодействия МЭПМ с РЭС
4.3.2 Формирование программы
4.3.3 Обсуждение результатов расчета
Устойчивость радиоэлектронных средств к воздействию электромагнитного импульса ядерного взрыва
5.1 Оценка устойчивости электромагнитных систем к воздействию ЭМИ
5.2 Методы повышения устойчивости электронных систем к воздействию ЭМИ
5.3 Электромагнитное экранирование
Заключение
Список литературы

Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 9791 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Adblock
detector