Электромагнитное экранирование

Использование проводящих или магнитных материалов для снижения интенсивности электромагнитного поля.

Клетки электромагнитного экранирования внутри разобранного мобильного телефона .

В электротехнике электромагнитное экранирование — это практика уменьшения или перенаправления электромагнитного поля (ЭМП) в пространстве с помощью барьеров из проводящих или магнитных материалов. Обычно он применяется к корпусам для изоляции электрических устройств от окружающей среды, а также к кабелям для изоляции проводов от окружающей среды, через которую проходит кабель ( см. Экранированный кабель ). Электромагнитное экранирование, которое блокирует радиочастотное (РЧ) электромагнитное излучение , также известно как РЧ-экранирование .

Экранирование ЭМП служит для минимизации электромагнитных помех . Экранирование может уменьшить связь радиоволн, электромагнитных и электростатических полей . Проводящая оболочка, используемая для блокировки электростатических полей, также известна как клетка Фарадея . Степень уменьшения во многом зависит от используемого материала, его толщины, размера экранируемого объема и частоты интересующих полей, а также размера, формы и ориентации отверстий в экране по отношению к падающему электромагнитному полю.

Используемые материалы

Чехол для ноутбука с видимым медным покрытием, защищающим от электромагнитных помех (EMI) внутри. Такие покрытия обычно наносят методом химического восстановления . Применяется как к бытовой технике, так и к медицинским приборам . ^[1]

Типичные материалы, используемые для электромагнитного экранирования, включают тонкий слой металла, листовой металл , металлический экран и металлическую пену . Обычные листовые металлы для защиты включают медь, латунь, никель, серебро, сталь и олово. Эффективность экранирования, то есть то, насколько хорошо экран отражает или поглощает/подавляет электромагнитное излучение, зависит от физических свойств металла. К ним могут относиться проводимость, паяемость, проницаемость, толщина и вес. Свойства металла являются важным фактором при выборе материала. Например, электрически доминирующие волны отражаются от металлов с высокой проводимостью, таких как медь, серебро и латунь, тогда как магнитно-доминантные волны поглощаются/подавляются менее проводящими металлами, такими как сталь или нержавеющая сталь . ^[2] Кроме того, любые отверстия в экране или сетке должны быть значительно меньше длины волны непроницаемого излучения, иначе корпус не будет эффективно приближаться к сплошной проводящей поверхности.

Другим широко используемым методом экранирования, особенно для электронных устройств, помещенных в пластиковые корпуса, является покрытие внутренней части корпуса металлическими чернилами или аналогичным материалом. Чернила состоят из материала-носителя, наполненного подходящим металлом, обычно медью или никелем , в виде очень мелких частиц. Он распыляется на корпус и после высыхания образует непрерывный проводящий слой металла, который можно электрически соединить с заземлением шасси оборудования , обеспечивая тем самым эффективное экранирование.

Электромагнитное экранирование — это процесс снижения электромагнитного поля на определенной территории путем ее баррикадирования проводящим или магнитным материалом. Медь используется для экранирования радиочастот (РЧ), поскольку она поглощает радио- и другие электромагнитные волны . Правильно спроектированные и изготовленные корпуса, защищающие от радиочастотных помех , удовлетворяют большинству потребностей в экранировании радиочастотных волн — от компьютерных и электрических коммутационных помещений до больничных кабинетов компьютерной томографии и МРТ . ^{[3] [4]}

Экранирование от электромагнитных помех представляет большой исследовательский интерес, и разрабатывается несколько новых типов нанокомпозитов из ферритов, полимеров и 2D-материалов для получения более эффективных материалов, поглощающих радиочастотные и микроволновые волны (МАМ). ^[5] Экранирование от электромагнитных помех часто достигается путем химического покрытия медью, поскольку большинство популярных пластиков не проводят ток, или с помощью специальной проводящей краски. ^[1]

Пример приложений

Поперечное сечение коаксиального кабеля с изображением экрана и других слоев.

Одним из примеров является экранированный кабель , который имеет электромагнитное экранирование в виде проволочной сетки, окружающей внутренний проводник. Экранирование препятствует выходу любого сигнала из жилы, а также предотвращает добавление сигналов в жилу. Некоторые кабели имеют два отдельных коаксиальных экрана, один из которых подключен на обоих концах, а другой только на одном конце, чтобы максимизировать экранирование как электромагнитных, так и электростатических полей.

В окно дверцы микроволновой печи встроена сетка. С точки зрения микроволн (с длиной волны 12 см) этот экран завершает клетку Фарадея , образованную металлическим корпусом печи. Видимый свет с длиной волны от 400 до 700 нм легко проходит через отверстия экрана.

Радиочастотное экранирование также используется для предотвращения доступа к данным, хранящимся на RFID- чипах, встроенных в различные устройства, например биометрические паспорта . ^[6]

НАТО предписывает электромагнитное экранирование для компьютеров и клавиатур, чтобы предотвратить пассивный мониторинг излучений клавиатуры , который позволяет перехватывать пароли; потребительские клавиатуры не обеспечивают такой защиты в первую очередь из-за непомерно высокой стоимости. ^[7]

Радиочастотное экранирование также используется для защиты медицинского и лабораторного оборудования, чтобы обеспечить защиту от мешающих сигналов, включая AM, FM, ТВ, службы экстренной помощи, диспетчерскую, пейджеры, ESMR, сотовую связь и PCS. Его также можно использовать для защиты оборудования на станциях AM, FM или телевещания.

Другим примером практического использования электромагнитного экранирования может служить оборонное применение. По мере совершенствования технологий растет и восприимчивость к различным типам вредоносных электромагнитных помех. Идея помещения кабеля внутри заземленного проводящего барьера может снизить эти риски.

Как это работает

Электромагнитное излучение состоит из связанных электрического и магнитного полей. Электрическое поле создает силы на носителях заряда (т. е. на электронах ) внутри проводника. Как только электрическое поле прикладывается к поверхности идеального проводника, оно индуцирует ток , который вызывает смещение заряда внутри проводника, которое нейтрализует приложенное поле внутри, и в этот момент ток прекращается. См. дополнительную информацию в клетке Фарадея .

Аналогичным образом, изменяющиеся магнитные поля генерируют вихревые токи , которые нейтрализуют приложенное магнитное поле. (Проводник не реагирует на статические магнитные поля, если проводник не движется относительно магнитного поля.) В результате электромагнитное излучение отражается от поверхности проводника: внутренние поля остаются внутри, а внешние поля остаются снаружи.

Несколько факторов ограничивают экранирующую способность реальных радиочастотных экранов. Во-первых, из-за электрического сопротивления проводника возбужденное поле не полностью нейтрализует падающее поле. Кроме того, большинство проводников проявляют ферромагнитный отклик на низкочастотные магнитные поля ^{[ нужна ссылка ]} , так что такие поля не полностью ослабляются проводником. Любые отверстия в экране заставляют ток течь вокруг них, поэтому поля, проходящие через отверстия, не возбуждают противоположные электромагнитные поля. Эти эффекты снижают отражающую способность экрана.

В случае высокочастотного электромагнитного излучения вышеупомянутая регулировка занимает немалое количество времени, однако любая энергия такого излучения, если она не отражается, поглощается кожей (если только она не очень тонкая). , поэтому в этом случае внутри тоже нет электромагнитного поля. Это один из аспектов более масштабного явления, называемого скин-эффектом . Мерой глубины, на которую излучение может проникнуть через экран, является так называемая глубина скин-слоя .

Магнитное экранирование

Оборудование иногда требует изоляции от внешних магнитных полей. ^[8] Для статических или медленно меняющихся магнитных полей (ниже примерно 100 кГц) описанное выше экранирование Фарадея неэффективно. В этих случаях можно использовать экраны из металлических сплавов с высокой магнитной проницаемостью , таких как листы пермаллоя и мю-металла ^{[9] [10]} или с нанокристаллическими ферромагнитными металлическими покрытиями с зернистой структурой. ^[11] Эти материалы не блокируют магнитное поле, как при электрическом экранировании, а скорее втягивают поле в себя, обеспечивая путь для линий магнитного поля вокруг экранируемого объема. Таким образом, наилучшей формой магнитных экранов является закрытый контейнер, окружающий экранируемый объем. Эффективность этого типа экранирования зависит от проницаемости материала, которая обычно падает как при очень низкой напряженности магнитного поля, так и при высокой напряженности поля, когда материал становится насыщенным . Поэтому для достижения низких остаточных полей магнитные экраны часто состоят из нескольких корпусов, расположенных один внутри другого, каждый из которых последовательно уменьшает поле внутри себя. Входные отверстия внутри экранирующих поверхностей могут значительно ухудшить их характеристики.

Из-за вышеуказанных ограничений пассивного экранирования альтернативой, используемой со статическими или низкочастотными полями, является активное экранирование, при котором поле, создаваемое электромагнитами, нейтрализует окружающее поле внутри объема. ^[12] Соленоиды и катушки Гельмгольца — это типы катушек, которые можно использовать для этой цели, а также более сложные схемы проводов, разработанные с использованием методов, адаптированных к методам, используемым при проектировании катушек для магнитно-резонансной томографии . Активные экраны также могут быть спроектированы с учетом электромагнитной связи с пассивными экранами, ^{[13] [14] [15] [16] [17]} так называемое гибридное экранирование, ^[18] так, чтобы существовало широкополосное экранирование от пассивного экрана и дополнительная отмена конкретных компонентов с помощью активной системы.

Кроме того, сверхпроводящие материалы могут вытеснять магнитные поля посредством эффекта Мейснера .

Математическая модель

Предположим, что у нас есть сферическая оболочка из (линейного и изотропного) диамагнитного материала с относительной проницаемостью , внутренним радиусом и внешним радиусом . Затем мы поместили этот объект в постоянное магнитное поле: ${\displaystyle \mu _{\text{r}}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$

$${\displaystyle \mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H} }$$

$${\displaystyle \Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}}$$

${\displaystyle {\hat {n}}}$

$${\displaystyle \mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}}$$

${\displaystyle \eta }$

$${\displaystyle \eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}}$$

${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to 1}$ ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to \infty }$ ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\gg 1}$

$${\displaystyle \eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}}$$

. ^[19] ${\displaystyle \mu _{\text{r}}^{-1}}$

Смотрите также

• Электромагнитная интерференция
• Электромагнитное излучение и здоровье
• Радиация
• Защита от ионизирующего излучения
• Мю-метал
• МРТ РФ экранирование
• Пермаллой
• Экранирование электрического поля
• Клетка Фарадея
• Безэховая камера
• Плазменное окно

Рекомендации

1. «Защита от электромагнитных помех медицинского оборудования — Cybershield». www.cybershieldinc.com . Проверено 2 мая 2023 г.
2. «Понимание защиты от электромагнитных и радиочастотных помех для управления помехами». Цептех . Проверено 23 апреля 2020 г.
3. Сил, Уэйн (2007). Роль меди, латуни и бронзы в архитектуре и дизайне; «Металлическая архитектура», май 2007 г.
4. Радиочастотное экранирование, Справочник по проектированию меди в архитектуре, Copper Development Association Inc., http://www.copper.org/applications/architecture/arch_dhb/fundamentals/radio_shielding.html
5. Мохапатра, Праджня П.; Гош, Сагник; Джайн, Ашиш; Айх, Суман; Доббиди, Паму (01 мая 2023 г.). «Редкоземельно-замещенные керамические композиты литий-феррит / сажа для защиты от электромагнитного излучения». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 573 : 170678. Бибкод : 2023JMMM..57370678M. дои : 10.1016/j.jmmm.2023.170678. ISSN  0304-8853. S2CID  257867862.
6. «Металлические щиты и шифрование для паспортов США». Newscientist.com . Проверено 18 ноября 2012 г.
7. Вуаньу, Мартин; Пасини, Сильвен (август 2009 г.). Компрометация электромагнитных излучений проводных и беспроводных клавиатур (PDF) . 18-й симпозиум USENIX по безопасности .
8. Хобсон, П.Дж.; и другие. (2022). «Индивидуальная конструкция магнитного поля для магнитоэкранированного интерферометра холодных атомов». наук. Представитель . 12 (1): 10520. arXiv : 2110.04498 . Бибкод : 2022NatSR..1210520H. дои : 10.1038/s41598-022-13979-4. ПМЦ 9217970 . PMID  35732872. S2CID  238583775. 
9. "МуМЕТАЛ" (PDF) . Magnetic Shield Corp. 2012. Каталог МУ-2 . Проверено 26 июня 2016 г.
10. «Статус товарного знака и поиск документов» . tsdr.uspto.gov . Проверено 2 августа 2017 г.
11. "Информационный документ журнала Interference Technology о ферромагнитных нанокристаллических металлических магнитных экранирующих покрытиях" . Архивировано из оригинала 15 марта 2010 года.
12. «Защита магнитов ЯМР: руководство по пониманию проблем экранирования магнитов ЯМР» . Желудевый ЯМР. 22 января 2003 года . Проверено 27 июня 2016 г.
13. Пакер, М.; Хобсон, П.Дж.; Холмс, Н.; Леггетт, Дж.; Гловер, П.; Брукс, MJ; Боутелл, Р.; Фромхолд, ТМ (3 ноября 2020 г.). «Оптимальный инверсный расчет профилей магнитного поля в магнитоэкранированном цилиндре». Применена физическая проверка . 14 (5): 054004. arXiv : 2006.02981 . Бибкод : 2020PhRvP..14e4004P. doi : 10.1103/PhysRevApplied.14.054004. S2CID  221538013.
14. Пакер, М.; Хобсон, П.Дж.; Холмс, Н.; Леггетт, Дж.; Гловер, П.; Брукс, MJ; Боутелл, Р.; Фромхолд, ТМ (2 июня 2021 г.). «Оптимизация планарной катушки в магнитноэкранированном цилиндре». Применена физическая проверка . 15 (6): 064006. arXiv : 2101.01275 . Бибкод : 2021PhRvP..15f4006P. doi : 10.1103/PhysRevApplied.15.064006. S2CID  230524109.
15. Лю, К. -Ю.; Андалиб, Т.; Остапчук, DCM; Бидиности, КП (01.01.2020). «Аналитические модели сферических и соленоидальных катушек с магнитным покрытием». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 949 : 162837. arXiv : 1907.03539 . Бибкод : 2020NIMPA.94962837L. дои : 10.1016/j.nima.2019.162837. ISSN  0168-9002. S2CID  195833040.
16. Мякинен, Антти Дж.; Зеттер, Расмус; Иивавайнен, Йоонас; Зевенховен, Коос CJ; Паркконен, Лаури; Ильмониеми, Ристо Дж. (14 августа 2020 г.). «Моделирование магнитного поля с поверхностными токами. Часть I. Физические и вычислительные принципы bfieldtools». Журнал прикладной физики . 128 (6): 063906. arXiv : 2005.10060 . Бибкод : 2020JAP...128f3906M. дои : 10.1063/5.0016090. ISSN  0021-8979. S2CID  218718690.
17. Зеттер, Расмус; Й. Мякинен, Антти; Иивавайнен, Йоонас; Зевенховен, Коос CJ; Ильмониеми, Ристо Дж.; Паркконен, Лаури (14 августа 2020 г.). «Моделирование магнитного поля с помощью поверхностных токов. Часть II. Реализация и использование bfieldtools». Журнал прикладной физики . 128 (6): 063905. arXiv : 2005.10056 . Бибкод : 2020JAP...128f3905Z. дои : 10.1063/5.0016087. ISSN  0021-8979. S2CID  218719330.
18. Роял, Кевин; Кроуфорд, Кристофер; Маллинз, Эндрю; Портер, Грег; Блэнтон, Хантер; Джонстон, Коннор; Кистлер, Бен; Оливера, Даниэла (01 сентября 2017 г.). «Гибридное магнитное экранирование». Тезисы докладов заседания Отделения ядерной физики АФС . 2017 : EA.034. Бибкод : 2017APS..DNP.EA034R.
19. Джексон, Джон Дэвид (10 августа 1998 г.). Классическая электродинамика (третье изд.). Раздел 5.12. ISBN 978-0471309321.

Внешние ссылки

• Все о материале Mu Metal Permalloy
• Mu Metal Shieldings Часто задаваемые вопросы (FAQ от MARCHANDISE, Германия) магнитная проницаемость
• Лаборатория автомобильной электроники Клемсона: калькулятор эффективности экранирования
• Проблемы экранирования медицинской продукции ( PDF ) — документ ETS-Lindgren
• Практическое руководство по электромагнитному экранированию
• Моделирование электромагнитного экранирования в среде COMSOL Multiphysicals