Электромагнитное экранирование

Электромагнитное экранирование применяется в случае переменных электромагнитных полей. В качестве электромагнитных экранов используются металлические оболочки, экранирующее действие которых обусловлено поглощением энергии электромагнитного поля внутри экрана. Экранирующее действие растет с увеличением толщины стенки экрана , угловой частоты , удельной проводимости и абсолютной магнитной проницаемости экрана: , – магнитная проницаемость материала. Параметр, который характеризует действие этих экранов, называется постоянной вихревых токов:

. (5)

Переменное электромагнитное поле, проникая внутрь экрана, постоянно затухает. Это связано с тем, что в каждом слое экрана протекают вихревые токи, действие которых ослабляет внешнее поле. При высоких частотах внешнего поля экран обычно изготовляется из хорошо проводящего материала (меди, алюминия), при низких – используется ферромагнитный материал с .

Рис. 3

Плоский экран можно представить в виде коробчатой полой конструкции (рис. 3), толщина стенок которой . Плотность энергии электромагнитного поля вне экрана определяется вектором Пойнтинга , где , – напряженность магнитного и электрического полней внешнего поля.

Плотность энергии электромагнитного поля для точек в теле экрана имеет вид

, (6)

где – амплитуда напряженности магнитного поля на поверхности экрана , – удельная проводимость материала экрана, – коэффициент затухания и -- коэффициент фазы распространения электромагнитной волны в проводящей среде (имеет место численное равенство: . Далее: , где – частота изменения электромагнитного поля, – расстояние вдоль оси , – время.

Из выражения (6) следует, что величина энергии уменьшается с изменением координаты пропорционально множителю , который уменьшается от значения, равного --для , до – для . Под величиной понимают глубину проникновения электромагнитного поля в глубь экрана. Пропорционально множителю уменьшаются напряженности полей.

Величина определяется выражением

(7)

и для проводящих сред имеет величину и более в диапазоне от 50 Гц и выше. Поэтому энергия электромагнитного поля быстро убывает. Так для диапазона радиочастот толщина стенки экрана может составлять величину долей миллиметра.

С коэффициентом фазы связано определение длины волны в проводящей среде, на которой фаза колебания изменяется на :

. (8)

Отношение амплитуд напряженности полей на расстоянии от поверхности равно , т.е. на этом расстоянии волна практически затухает. Вывод уравнений (7) и (8) дан в приложении 5.1. Таким образом, на расстояние от поверхности проникает только энергии, поглощаемой в проводящей среде. Поэтому можно считать, что волна затухает уже на расстоянии, в два-три раза меньшем длины волны. В табл. 1 приведены значения длины для различных материалов.

Таблица 1
Длина волны в проводящей среде, см
Частота, Гц	Алюминий ,	Сталь ,	Латунь ,
	10,00	1,63	5,89
	3,13	0,53	1,86
	2,2	0,36	1,3
	1,6	0,25	0,93

Наличие в выражении (6) коэффициента фазы указывает на изменение начальной фазы колебания векторов поля от нулевого значения до значения внутри экрана. Таким образом, вектора поля и изменяют свою величину не только по величине, но и по фазе. Этот же вывод следует и из анализа коэффициента экранирования для плоского экрана

. (9)

Этот коэффициент имеет комплексный характер, – расстояние между поверхностями экрана. Здесь . Выделяя из выражения (9) модуль и аргумент, находят меру ослабления величины поля и изменению фазы для любой точки внутри экрана (см. прил. 5.1).

Цилиндрический экран в однородном внешнем гармоническом поле (рис. 4) имеет коэффициент экранирования, зависящей от тех же параметров , , , , но к ним добавляется еще геометрический параметр – внешний радиус цилиндра :

, (10)

где , .

Рис. 4

Из анализа выражения (10) следует:

при однородном внешнем поле внутри экрана также однородно и совпадает по направлению с внешним, так как коэффициент экранирования не зависит от координат точек внутри экрана;

поле внутри экрана сдвинуто по фазе относительно внешнего поля, так как – комплексное число, определяемое комплексными параметрами и ;

с ростом частоты экранирование усиливается, что находит отражение в увеличении , а следовательно, и , и ;

при уменьшении частоты и для выражения (10) имеем: ; ; ; , что дает значение .

Таким образом, постоянное поле внутри немагнитного экрана не ослабляется и совпадает с внешним полем:

Для ферромагнитного экрана при низкой частоте в соответствии с выражением (10) получим , что совпадает с выражением (3) для магнитостатического экранирования.

Таким образом, при низкой частоте экранирующее действие определяется прохождением магнитного потока в толще экрана как при магнитостатическом экранировании. С ростом частоты начинает проявляться электромагнитное экранирование, которое при полностью определяется свойство экрана.

Сферический экран. По аналогии с цилиндрическим экраном можно получить коэффициент экранирования сферического экрана в виде

, (11)

где , – внешний радиус стенки экрана.

Для сферического экрана характерны те же явления, что и для цилиндрического экрана. Например, при и имеем , что совпадает с выражением (4). В этом случае коэффициент оказывается несколько большим, чем для цилиндрического экрана, при той же толщине стенок и радиусе .

При увеличении радиуса кривизны поверхности цилиндрического или сферического экранов формулы (10) и (11) переходят в формулу (9) для центральной точки плоского экрана.

Поиск по сайту: