Электромагнитное экранирование

Использование проводящих или магнитных материалов для снижения напряженности электромагнитного поля

Электромагнитные экранирующие клетки 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 применяется к корпусам для изоляции электрических устройств от окружающей среды и к кабелям для изоляции проводов от 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 полей и электростатических полей . Проводящий корпус, используемый для блокировки электростатических полей, также известен как клетка Фарадея . Степень снижения 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.

Использованные материалы

Корпус ноутбука с видимым медным покрытием электромагнитных помех (EMI) на внутренней стороне. Такие покрытия обычно наносятся методом химического восстановления . Применяется как для бытовой техники, так и для медицинских приборов . ^[1]

Типичные материалы, используемые для электромагнитного экранирования, включают тонкий слой металла, листовой металл , металлический экран и металлическую пену . Обычные листовые металлы для экранирования включают медь, латунь, никель, серебро, сталь и олово. Эффективность экранирования, то есть 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 высокопроводящими металлами, такими как медь, серебро и латунь, в то время как магнитно доминирующие волны поглощаются/подавляются менее проводящим металлом, таким как сталь или нержавеющая сталь . ^[2] Кроме того, любые отверстия в экране или сетке должны быть значительно меньше длины волны задерживаемого излучения, иначе корпус не будет эффективно приближаться к сплошной проводящей поверхности.

Другой часто используемый метод экранирования, особенно для электронных товаров, размещенных в пластиковых корпусах, заключается в покрытии внутренней части корпуса металлическими чернилами или аналогичным материалом. Чернила состоят из материала-носителя, загруженного подходящим металлом, как правило, медью или никелем , в виде очень мелких частиц. Они распыляются на корпус и после высыхания создают непрерывный проводящий слой металла, который может быть электрически соединен с заземлением шасси оборудования, тем самым обеспечивая эффективное экранирование.

Электромагнитное экранирование — это процесс снижения электромагнитного поля в области путем ограждения ее проводящим или магнитным материалом. Медь используется для экранирования радиочастот (РЧ), поскольку она поглощает радиоволны и другие электромагнитные волны . Правильно спроектированные и изготовленные корпуса для экранирования РЧ удовлетворяют большинству потребностей в экранировании РЧ, от компьютерных и электрических комнат коммутации до больничных КТ-сканеров и МРТ- оборудования. ^{[3] [4]}

Экранирование от электромагнитных помех (ЭМП) представляет большой исследовательский интерес, и разрабатываются несколько новых типов нанокомпозитов из ферритов, полимеров и 2D-материалов для получения более эффективных материалов, поглощающих радиочастотное/микроволновое излучение (МАМ). ^[5] Экранирование от ЭМП часто достигается путем химического осаждения меди, поскольку большинство популярных пластиков являются непроводящими, или с помощью специальной проводящей краски. ^[1]

Примеры приложений

Поперечное сечение коаксиального кабеля, показывающее экранирование и другие слои.

Одним из примеров является экранированный кабель , который имеет электромагнитное экранирование в виде проволочной сетки, окружающей внутренний сердечник. Экранирование препятствует выходу любого сигнала из сердечника, а также предотвращает добавление сигналов в сердечник. 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.

Дверца микроволновой печи имеет экран, встроенный в окно. 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 нм до 700 нм легко проходит через отверстия экрана.

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

НАТО требует электромагнитного экранирования компьютеров и клавиатур, чтобы предотвратить пассивный мониторинг излучений клавиатуры , который может позволить перехватывать пароли; потребительские клавиатуры не обеспечивают такой защиты, прежде всего из-за непомерно высокой стоимости. ^[7]

Радиочастотное экранирование также используется для защиты медицинского и лабораторного оборудования, чтобы обеспечить защиту от помех, включая AM, FM, ТВ, аварийные службы, диспетчерские, пейджеры, ESMR, сотовую связь и PCS. Его также можно использовать для защиты оборудования на объектах вещания AM, FM или ТВ.

Другим примером практического использования электромагнитного экранирования могут быть оборонные приложения. По мере совершенствования технологий растет и восприимчивость к различным видам вредоносных электромагнитных помех. Идея помещения кабеля в заземленный проводящий барьер может обеспечить смягчение этих рисков.

Как это работает

Электромагнитное излучение состоит из связанных электрических и магнитных полей. Электрическое поле создает силы на носителях заряда (т. е. электронах ) внутри проводника. Как только электрическое поле прикладывается к поверхности идеального проводника, оно индуцирует ток , который вызывает смещение заряда внутри проводника, которое отменяет приложенное поле внутри, и в этот момент ток прекращается. См. Клетку Фарадея для более подробного объяснения.

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

Несколько факторов ограничивают экранирующую способность реальных РЧ-щитов. Один из них заключается в том, что из-за электрического сопротивления проводника возбужденное поле не полностью нейтрализует падающее поле. Кроме того, большинство проводников проявляют ферромагнитную реакцию на низкочастотные магнитные поля, ^{[ необходима ссылка ],} так что такие поля не полностью ослабляются проводником. Любые отверстия в экране заставляют ток течь вокруг них, так что поля, проходящие через отверстия, не возбуждают противоположные электромагнитные поля. Эти эффекты снижают способность экрана отражать поле.

В случае высокочастотного электромагнитного излучения вышеупомянутые корректировки занимают немалое количество времени, однако любая такая энергия излучения, если она не отражается, поглощается кожей (если только она не очень тонкая), так что в этом случае внутри нет никакого электромагнитного поля. Это один из аспектов большего явления, называемого скин-эффектом . Мерой глубины, на которую излучение может проникать 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 могут использоваться экраны из металлических сплавов с высокой магнитной проницаемостью , такие как листы пермаллоя и мю-металла ^{[9] [10]} или с нанокристаллической зернистой структурой ферромагнитных металлических покрытий. ^[11] Эти материалы не блокируют магнитное поле, как при электрическом экранировании, а скорее втягивают поле в себя, обеспечивая путь для линий магнитного поля вокруг экранированного объема. Таким образом, наилучшей формой для магнитных экранов является закрытый контейнер, окружающий экранированный объем. Эффективность этого типа экранирования зависит от проницаемости материала, которая обычно падает как при очень низких напряженностях магнитного поля, так и при высоких напряженностях поля, когда материал становится насыщенным . Поэтому для достижения низких остаточных полей магнитные экраны часто состоят из нескольких корпусов, один внутри другого, каждый из которых последовательно уменьшает поле внутри себя. Входные отверстия в защитных поверхностях могут существенно ухудшить их характеристики.

Из-за вышеуказанных ограничений пассивного экранирования альтернативой, используемой со статическими или низкочастотными полями, является активное экранирование, в 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 из тех, которые используются в конструкции катушек для магнитно-резонансной томографии . Активные экраны также могут быть спроектированы с учетом электромагнитной связи с пассивными экранами, ^{[13] [14] [15] [16] [17]} называемыми гибридным экранированием, ^[18] так, чтобы было широкополосное экранирование от пассивного экрана и дополнительное подавление определенных компонентов с использованием активной системы.

Кроме того, сверхпроводящие материалы могут изгонять магнитные поля посредством эффекта Мейсснера .

Математическая модель

Предположим, что у нас есть сферическая оболочка из (линейного и изотропного) диамагнитного материала с относительной проницаемостью , с внутренним радиусом и внешним радиусом . Затем мы помещаем этот объект в постоянное магнитное поле: Поскольку в этой задаче нет токов, за исключением возможных связанных токов на границах диамагнитного материала, то мы можем определить магнитный скалярный потенциал, который удовлетворяет уравнению Лапласа: где В этой конкретной задаче имеется азимутальная симметрия, поэтому мы можем записать, что решение уравнения Лапласа в сферических координатах имеет вид: После согласования граничных условий на границах (где — единичный вектор, нормальный к поверхности и направленный от стороны 1 к стороне 2), мы находим, что магнитное поле внутри полости в сферической оболочке равно: где — коэффициент затухания, зависящий от толщины диамагнитного материала и магнитной проницаемости материала: Этот коэффициент описывает эффективность этого материала в экранировании внешнего магнитного поля из полости, которую он окружает. Обратите внимание, что этот коэффициент соответствующим образом стремится к 1 (отсутствие экранирования) в пределе, когда . В пределе, когда этот коэффициент стремится к 0 (идеальное экранирование). Когда , то коэффициент затухания принимает более простую форму: которая показывает, что магнитное поле уменьшается как . ^[19] ${\displaystyle \mu _{\text{r}}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ $${\displaystyle \mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}}$$ $${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H} }$$ $${\displaystyle \Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}}$$ ${\displaystyle {\hat {n}}}$ $${\displaystyle \mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}}$$ ${\displaystyle \eta }$ $${\displaystyle \eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}}$$ ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to 1}$ ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\to \infty }$ ${\displaystyle \mu _{\text{r}}\gg 1}$ $${\displaystyle \eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}}$$ ${\displaystyle \mu _{\text{r}}^{-1}}$

Смотрите также

• Электромагнитные помехи
• Электромагнитное излучение и здоровье
• Радиация
• Защита от ионизирующего излучения
• Мю-метал
• МРТ-РЧ-экранирование
• Пермаллой
• Экранирование электрического поля
• клетка Фарадея
• Безэховая камера
• Плазменное окно

Ссылки

1. "Экранирование медицинских приборов от электромагнитных помех". Cybershield . Получено 2023-05-02 .
2. "Понимание экранирования EMI/RFI для управления помехами". Ceptech . Получено 2020-04-23 .
3. Сил, Уэйн (2007). «Роль меди, латуни и бронзы в архитектуре и дизайне». Металлическая архитектура . Май 2007 г.
4. "Экранирование радиочастот". Справочник по проектированию меди в архитектуре . Copper Development Association Inc. Архивировано 07.08.2020 на Wayback Machine
5. Mohapatra, Prajna P.; Ghosh, Sagnik; Jain, Ashish; Aich, Suman; Dobbidi, Pamu (2023-05-01). "Керамические композиты на основе редкоземельного замещенного литийферрита/сажи для экранирования электромагнитного излучения". Журнал магнетизма и магнитных материалов . 573 : 170678. Bibcode : 2023JMMM..57370678M. doi : 10.1016/j.jmmm.2023.170678. ISSN  0304-8853. S2CID  257867862.
6. "Металлические щиты и шифрование для паспортов США". Newscientist.com . Получено 18 ноября 2012 г.
7. Вуанью, Мартин; Пасини, Сильвен (август 2009 г.). Компрометация электромагнитных излучений проводных и беспроводных клавиатур (PDF) . 18-й симпозиум по безопасности USENIX .
8. Хобсон, П. Дж. и др. (2022). «Заказная конструкция магнитного поля для магнитно-экранированного интерферометра холодных атомов». Sci. Rep . 12 (1): 10520. arXiv : 2110.04498 . Bibcode : 2022NatSR..1210520H. doi : 10.1038/s41598-022-13979-4. PMC 9217970. PMID  35732872. S2CID  238583775. 
9. "MuMETAL" (PDF) . Magnetic Shield Corp. 2012. Каталог MU-2 . Получено 26 июня 2016 .^{[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]}
10. "Статус товарного знака и поиск документов". tsdr.uspto.gov . Получено 2017-08-02 .
11. "Interference Technology Magazine Whitepaper on Ferromagnetic Nanocrystalline Metal Magnetic Shield Coatings". Архивировано из оригинала 15 марта 2010 г.
12. "Экранирование магнитов ЯМР: руководство по пониманию проблем экранирования магнитов ЯМР". Acorn NMR. 22 января 2003 г. Получено 27 июня 2016 г.
13. Пакер, М.; Хобсон, П. Дж.; Холмс, Н.; Леггетт, Дж.; Гловер, П.; Брукс, М. Дж.; Боутелл, Р.; Фромхольд, Т. М. (2020-11-03). "Оптимальное обратное проектирование профилей магнитного поля в магнитно-экранированном цилиндре". Physical Review Applied . 14 (5): 054004. arXiv : 2006.02981 . Bibcode : 2020PhRvP..14e4004P. doi : 10.1103/PhysRevApplied.14.054004. S2CID  221538013.
14. Пакер, М.; Хобсон, П. Дж.; Холмс, Н.; Леггетт, Дж.; Гловер, П.; Брукс, М. Дж.; Боутелл, Р.; Фромхольд, Т. М. (2021-06-02). «Оптимизация планарной катушки в магнитно-экранированном цилиндре». Physical Review Applied . 15 (6): 064006. arXiv : 2101.01275 . Bibcode : 2021PhRvP..15f4006P. doi : 10.1103/PhysRevApplied.15.064006. S2CID  230524109.
15. Liu, C. -Y.; Andalib, T.; Ostapchuk, DCM; Bidinosti, CP (2020-01-01). "Аналитические модели магнитно замкнутых сферических и соленоидальных катушек". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 949 : 162837. arXiv : 1907.03539 . Bibcode : 2020NIMPA.94962837L. doi : 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. Ройял, Кевин; Кроуфорд, Кристофер; Маллинз, Эндрю; Портер, Грег; Блэнтон, Хантер; Джонстон, Коннор; Кистлер, Бен; Оливера, Даниэла (2017-09-01). «Гибридное магнитное экранирование». Тезисы докладов на совещании Отдела ядерной физики Американского физико-технического общества . 2017 : EA.034. Bibcode : 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 Архивировано 09.07.2017 на Wayback Machine
• Вопросы экранирования медицинских изделий ( PDF ) — ETS-Lindgren Paper
• Практическое руководство по электромагнитному экранированию
• Моделирование электромагнитного экранирования в среде COMSOL Multiphysics