Экранирование магнитного поля

Экранирование магнитного поля

Экранирование магнитного поля

Экранирование магнетиком линий магнитного поля является следствием преломления линий магнитной индукции при переходе из магнетика с одним показателем магнитной проницаемости в магнетик с другим показателем.

Преломление линий индукции магнитного поля

Граница раздела двух веществ, имеющих разные магнитные проницаемости, способна изменять направление линий магнитной индукции. При этом говорят, что линии магнитной индукции преломляются.

Рассмотрим преломление линий магнитной индукции. Для этого возьмем прямоугольный параллелепипед, одно основание его расположим в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_1$, второе — в среде магнитная проницаемость которой $\mu_2$ (рис.1). Определим поток магнитной индукции через поверхность этого параллелепипеда.

Рисунок 1. Преломление линий индукции магнитного поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Поток вектора магнитной индукции через верхнюю грань, рассматриваемого параллелепипеда, равна:

$Ф_2= B_{n2}S (1)$,

где $B_{n2}$ — нормальная составляющая вектора индукции в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_{2}$; $S$ — площадь основания параллелепипеда.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Поток вектора магнитной индукции сквозь нижнюю грань параллелепипеда составляет:

$Ф_1= B_{n1}S (2)$,

где $B_{n1}$ — нормальная составляющая вектора индукции в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_{1}$.

Будем считать, что высота параллелепипеда очень мала, значит, поток индукции через боковую поверхность можно считать бесконечно малым и не учитывать.

Принимая во внимание, теорему Остроградского – Гаусса для магнитного поля, в соответствии с которой полный поток магнитной индукции сквозь замкнутую поверхность всегда равен нулю:

$Ф=\oint {B_{n}dS=0\left( 3 \right).} $

Учитывая сказанное выше и теорему (3), запишем:

$ B_{n2}S- B_{n1}S=0$ (4).

Или

$ B_{n2}= B_{n1}$ (5).

Выражение (5) показывает, что нормальная компонента магнитной индукции является непрерывной.

Рассмотрим нормальные составляющие напряженности магнитного поля в рассматриваемых веществах:

  • $B_{n1}=\mu_{1}\mu_{0}H_{n1}$ (6),
  • $B_{n2}=\mu_{2}\mu_{0}H_{n2}$ (7).

Из выражений (6) и (7) сделаем вывод:

$\frac{H_{n1}}{H_{n2}}=\frac{\mu_{2}}{\mu_{1}}\left( 8 \right)$

Выражение (8) показывает, что нормальные компоненты напряженности поля в разных веществах отличны.

Рисунок 2. Прямоугольный контур. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим прямоугольный контур (рис.2), имеющий бесконечно малую высоту $h$. Одна сторона контура находится в веществе с магнитной проницаемостью $\mu_{1}$, другое в веществе — $\mu_{2}$. Магнитное напряжение вдоль рассматриваемого контура равно:

$lH_{t2}-lH_{t1}$,

где $l$ — длина стороны контура; $H_{t1}$ и $ H_{t2}$ — составляющие вектора напряженности, касательные к поверхности границы раздела. Считая высоту контура стремящейся к нулю, получим, что площадь контура стремится к нулю, соответственно, стремится к нулю сила тока, который идет через эту поверхность. Тогда, имеем:

$lH_{t2}-lH_{t1}=0 (9)$,

откуда:

$H_{t2}=H_{t1} (10)$,

Выражение (10) означает, что касательные компоненты напряженности магнитного поля при переходе сквозь границу раздела веществ не изменяются.

Касательные составляющие индукции претерпевают скачок:

$\frac{B_{t1}}{B_{t2}}=\frac{\mu_{1}}{\mu_{2}}\left( 11 \right)$.

Формулы (5) и (11) выполняются всегда и отражают граничные условия для магнитного поля. Эти условия аналогичным граничным условиям для магнитного поля.

Из приведенных формул следует закон преломления линий магнитной индукции:

$\frac{tg\, \alpha_{1}}{tg\, \alpha_{2}}=\frac{\mu_{1}}{\mu_{2}}\left( 12\right)$.

где $ \alpha_{1}$ – угол между линиями индукции в первом веществе и перпендикуляром к поверхности раздела; $ \alpha_{2}$ – аналогичный угол во второй среде.

Замечание 1

Если магнетики являются однородными и изотропными, то направления векторов магнитной индукции и напряженности совпадают, следовательно, закон (12) отображает закон преломления линий напряженности.

Из закона преломления следует, что линии индукции, переходя в вещество с большей магнитной проницаемостью, отдаляются от нормали, а это значит, что они сгущаются.

Изображение хода линий магнитной индукции при наличии в поле тела из магнетика

Математическое описание хода линий индукции является сложным даже для тел простой формы. Пусть кусок магнетика имеет форму прямоугольного бруска. Его вносят в однородное магнитное поле. Считаем, что магнитная проницаемость магнетика больше, чем окружающей среды.

Магнетик во внешнем поле намагнитится и станет сам источником поля.

Данное поле будет складываться в каждой точке с начальным однородным полем.

При этом линии как бы притягиваются к параллелограмму, преломляются на его поверхности и походят внутри бруска существенно гуще.

Рисунок 3. Линии магнитной индукции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На рис. 3(а) изображены линии магнитной индукции в шаре из магнетика, который размещают в первоначально однородном поле. В таком случае линии индукции внутри шара проходят как параллельные линии. Шар будет намагничен однородно.

Магнитная экранировка

Разместим в однородном магнитном поле тело с полостью, например, цилиндр. Пусть магнитная проницаемость стенок цилиндра больше, чем у окружающего вещества. В этом случае линии магнитной индукции поля станут сгущаться в стенках цилиндра (рис.3 b).

При этом в полости цилиндра густота линий индукции уменьшается, что означает – магнитное поле внутри цилиндра ослаблено. Цилиндр как бы экранирует свою внутреннюю часть от внешнего магнитного поля.

Определение 1

Явление, при котором оболочка из магнетика с большей магнитной проницаемостью работает как экран, не допускающий проникновения магнитного поля во внутреннее пространство, ограниченное оболочкой, называют экранированием магнитного поля.

Данное обстоятельство используют для конструкций магнитной защиты. Для предохранения чувствительных измерительных приборов от воздействия внешних магнитных полей, эти приборы помещают в замкнутые оболочки из веществ, которые обладают большой магнитной проницаемостью, например, из железа.

Замечание 2

Экраны, которые призваны защитить от магнитных полей, могут поле ослабить, но полностью исключить его не в состоянии, поскольку проводники электричества существуют, а проводников магнетизма нет.

Для характеристики процесса экранирования применяют три базовые параметра:

Эквивалентная глубина проникновения магнитного поля:

$\Delta =0,52\sqrt \frac{\rho }{\mu u } \left( 13 \right)$.

где $\rho$ – удельное сопротивление; $\mu$ – магнитная проницаемость вещества экрана; $u$ – частота поля.

Эффективность экранирования, которую находят делением напряженности магнитного поля без экрана и при наличии экрана.

Уменьшение напряженности магнитного поля и плотности вихревых токов:

$A=A_{0}e{-\frac{x}{x_{0}}}\left( 14 \right)$.

где $A_0$ – напряженность или ток на поверхности экрана; $x_0$ — глубина, где исследуемый параметр уменьшается в $e$ раз.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/magnitnoe_pole/ekranirovanie_magnitnogo_polya/

Магнитное экранирование — это… что такое магнитное экранирование?

Экранирование магнитного поля

(магнитная защита) — защита объекта от воздействия магн. полей (постоянных и переменных). Совр. исследования в ряде областей науки (физика, геология, палеонтология, биомагнетизм) и техники (космич. исследования, атомная энергетика, материаловедение) часто связаны с измерениями очень слабых магн. полей ~10-14-10-9 Тл в широком частотном диапазоне.

Внешние магнитные поля (например, поле Земли Тл с шумом Тл, магн. шумы от электрич. сетей и городского транспорта) создают сильные помехи для работы высокочувствит. магнитометрич. аппаратуры. Уменьшение влияния магн. полей в сильной степени определяет возможности проведения магн. измерений (см., напр., Магнитные поля биологических объектов). Среди методов М. э.

наиболее распространены следующие.

Экранирующее действие полого цилиндра из ферромагнитного вещества с (1 — внеш. поверхность цилиндра, 2 -внутр. поверхность). Остаточное магнитное поле внутри цилиндра

Ферромагнитный экран — лист, цилиндр, сфера (или оболочка к.-л. иной формы) из материала с высокой магнитной проницаемостьюm низкой остаточной индукцией В r и малой коэрцитивной силой Н с.

Принцип действия такого экрана можно проиллюстрировать на примере полого цилиндра, помещённого в однородное магн. поле (рис.). Линии индукции внеш. магн. поля B внеш при переходе из среды с в материал экрана заметно сгущаются, а в полости цилиндра густота линий индукции уменьшается, т. е.

поле внутри цилиндра оказывается ослабленным. Ослабление поля описывается ф-лой

где D — диаметр цилиндра, d — толщина его стенки, — магн. проницаемость материала стенки. Для расчёта эффективности М. э. объёмов разл. конфигурации часто используют ф-лу

где — радиус эквивалентной сферы (практически ср. значение размеров экрана в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, т. к. форма экрана мало влияет на эффективность М. э.).

Из ф-л (1) и (2) следует, что использование материалов с высокой магн. проницаемостью [таких, как пермаллой (36-85% Ni, остальное Fe и легирующие добавки) или мю-металл (72-76% Ni, 5% Сu, 2% Сr, 1% Мn, остальное Fe)] существенно улучшает качество экранов (у железа ).

Кажущийся очевидным способ улучшения экранирования за счёт утолщения стенки не оптимален. Эффективнее работают многослойные экраны с промежутками между слоями, для к-рых коэф. экранирования равен произведению коэф. для отд. слоев. Именно многослойные экраны (внеш. слои из магн.

материалов, насыщающихся при высоких значениях В, внутренние — из пермаллоя или мю-металла) составляют основу конструкций магнитозащищённых комнат для биомагнитных, палеомагнитных и т. п. исследований. Следует отметить, что применение защитных материалов типа пермаллоя связано с рядом трудностей, в частности с тем, что их магн.

свойства при деформациях и значит. нагревах ухудшаются, они практически не допускают сварки, значит. изгибов и др. механич. нагрузок. В совр. магн. экранах широко применяются ферромагн. металлические стёкла (метглассы), близкие по магн. свойствам к пермаллою, но не столь чувствительные к механич. воздействиям.

Полотно, сотканное из полосок метгласса, допускает изготовление мягких магн. экранов произвольной формы, а многослойное экранирование этим материалом много проще и дешевле.

Экраны из материала с высокой электропроводностью (Сu, А1 и др.) служат для защиты от переменных магн. полей. При изменении внеш. магн. поля в стенках экрана возникают индукц.

токи, к-рые охватывают экранируемый объём. Магн. поле этих токов направлено противоположно внеш. возмущению и частично компенсирует его. Для частот выше 1 Гц коэф.

экранировки К растёт пропорционально частоте:

где — магнитная постоянная, электропроводность материала стенки, L — размер экрана, — толщина стенки, f — круговая частота.

Магн. экраны из Сu и А1 менее эффективны, чем ферромагнитные, особенно в случае низкочастотного эл.-магн. поля, но простота изготовления и невысокая стоимость часто делают их более предпочтительными в применении.

Сверхпроводящие экраны. Действие экранов этого типа основано на Мейснера эффекте — полном вытеснении магн. поля из сверхпроводника. При всяком изменении внеш. магн. потока в сверхпроводниках возникают токи, к-рые в соответствии с Ленца правилом компенсируют эти изменения.

В отличие от обычных проводников в сверхпроводниках индукц. токи не затухают и поэтому компенсируют изменение потока в течение всего времени существования внеш. поля. То обстоятельство, что сверхпроводящие экраны могут работать при очень низких темп-pax и полях, не превышающих критич. значения (см.

Критическое магнитное поле), приводит к существенным трудностям при конструировании больших магнитозащищённых «тёплых» объёмов. Однако открытие оксидных высокотемпературных сверхпроводников (ОВС), сделанное Й. Беднорцем и К. Мюллером (J. G. Bednorz, К. A.

Miiller, 1986), создаёт новые возможности в использовании сверхпроводящих магн. экранов. По-видимому, после преодоления технологич.

трудностей в изготовлении ОВС, будут применяться сверхпроводящие экраны из материалов, становящихся сверхпроводниками при темп-ре кипения азота (а в перспективе, возможно, и при комнатных темп-рах).

Следует отметить, что внутри магнитозащищённого сверхпроводником объёма сохраняется остаточное поле, существовавшее в нём в момент перехода материала экрана в сверхпроводящее состояние. Для уменьшения этого остаточного поля необходимо принять спец. меры. Напр.

, переводить экран в сверхпроводящее состояние при малом по сравнению с земным магн. поле в защищаемом объёме или использовать метод «раздувающихся экранов», при к-ром оболочка экрана в сложенном виде переводится в сверхпроводящее состояние, а затем расправляется.

Подобные меры позволяют пока в небольших объёмах, ограниченных сверхпроводящими экранами, свести остаточные поля до величины Тл.

Активная защита от помех осуществляется при помощи компенсирующих катушек, создающих магн. поле, равное по величине и противоположное по направлению полю помехи. Алгебраически складываясь, эти поля компенсируют друг друга. Наиб.

известны катушки Гельмгольца, представляющие собой две одинаковые соосные круговые катушки с током, раздвинутые на расстояние, равное радиусу катушек. Достаточно однородное магн. поле создаётся в центре между ними. Для компенсации по трём пространств. компонентам необходимы минимум три пары катушек.

Существует много вариантов таких систем, и выбор их определяется конкретными требованиями.

Система активной защиты, как правило, используется для подавления НЧ-помех (в диапазоне частот 0-50 Гц). Одно из её назначений — компенсация пост. магн. поля Земли, для чего необходимы высокостабильные и мощные источники тока; второе — компенсация вариаций магн.

поля, для к-рой могут использоваться более слабые источники тока, управляемые датчиками магн. поля, напр. магнитометрами высокой чувствительности — сквидами или феррозондами. В большой степени полнота компенсации определяется именно этими датчиками.

Существует важное отличие активной защиты от магн. экранов. Магн. экраны устраняют шумы во всём объёме, ограниченном экраном, в то время как активная защита устраняет помехи лишь в локальной области.

Все системы подавления магн. помех нуждаются в антивибрац. защите. Вибрация экранов и датчиков магн. поля сама может стать источником дополнит. помех.

Лит.: Роуз-Инс А., Родерик Е., Введение в физику сверхпроводимости, пер. с англ., М., 1972; Штамбергер Г. А., Устройства для создания слабых постоянных магнитных полей, Новосиб., 1972; Введенский В. Л.

, Ожогин В. И., Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм, М., 1986; Bednorz J. G., Мullеr К. А., Possible high Тс superconductivity in the Ba-La-Сr-О system, «Z. Phys.», 1986, Bd 64, S. 189. С. П. Наурзаков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/3772/%D0%9C%D0%90%D0%93%D0%9D%D0%98%D0%A2%D0%9D%D0%9E%D0%95

Часть 1.Тестирование материала для экранирования переменных магнитных полей

Экранирование магнитного поля

В настоящее время существует огромная проблема экранирования магнитных полей (МП), как постоянных, так и переменных. Ряд трансформаторных подстанций, щитовых, сильных постоянных магнитов, различных датчиков требуют экранирования специальными материалами.

Большинство экранирующих материалов (краска, ткань, сетка, пленка) не способны снижать МП даже на незначительную величину из-за другой природы формирования и распространения самого МП.

Во многих источниках часто встречается информация о возможности применения ферритов, медных сплошных экранов, специальных аморфных и нанокристаллических сплавов, пермаллоев, но практически нигде не предоставляется информация о самих коэффициентах экранирования магнитных полей.

Сотрудники нашей компании решили на практике проверить свойства ряда материалов (применительно для использования на больших и малых объектах).

Пермаллои не рассматриваем из-за снижения их магнитных свойств при механических деформациях. Ферриты применять на практике еще сложнее.

Ориентировать нужным образом цилиндр или куб из меди в помещении крайне проблематично. Остаются материалы из аморфных и нанокристаллических сплавов.

Немного об аморфных сплавах.

Данные материалы создаются методом быстрого охлаждения (путем распыления расплавленного металла на быстро вращающийся барабан-холодильник) и пропускания фазы кристаллизации материала, за счет чего твердое готовое вещество принимает структуру, очень похожую на лед. Для некоторых сплавов (уже отвердевших), для приобретения ими требуемых магнитных свойств, требуется дополнительная термическая обработка и/или перемагничивание.

В данной части пойдет речь об испытании на практике ряда изделий из аморфных и нанокристаллических сплавов в переменных магнитных полях на уровнях от 500 нТл до 20 мкТл на ряде частот от 16 Гц до 300 кГц.

Работу в постоянных МП мы будем оценивать позже.

Скажем сразу, что мы не являемся профессорами и академиками в области изучения МП, но имеем хорошее представление о природе происхождения и распространения МП и делимся своими наработками в этой сфере.

Ряд производителей предоставляют готовые решения для экранирования переменных МП в виде рулонных материалов шириной 50-65 см в широком ценовом диапазоне. Их изделия имеют свои особенности, которые опишем ниже.

Нами был собран испытательный стенд, который имел в своем составе следующие узлы:

  • Источник питания постоянного тока (для формирования уровня выходного сигнала);
  • Генератор сигнала, совмещенный с осциллографом Rigol DS1074Z-S (для формирования синусоидального сигнала требуемой частоты и его последующего контроля);
  • Усилитель сигнала низкой частоты;
  • Катушка индуктивности;
  • Измерительный прибор NFA1000 (для контроля уровня МП и его направленности)
  • Экранированный ящик (из 5 слоев ленты, изготовленной из аморфных сплавов);
  • Образец тестируемого материала.

За счет изменения уровня выходного напряжения на источнике питания, мы получали различный уровень МП на катушке индуктивности. Генератором сигналов задавали необходимую несущую частоту. Осциллографом контролировали сформированный сигнал. Измерительный прибор помещался напротив сердечника катушки в экранированном коробе. При проведении измерений, тестируемый образец материала (1 и 2 слоя) одевался на короб, создавая преграду для прохождения силовых линий МП.

В процессе тестирования был обнаружен один интересный эффект — дополнительный отжиг аморфного и нанокристаллического сплава практически никак не влиял на увеличение коэффициента экранирования.

Главным определяющем критерием на коэффициент экранирования была относительная начальная магнитная проницаемость самого материала. Температурный отжиг в теории повышает начальную магнитную проницаемость до 5-15 раз, что должно повышать экранирующие свойства, но этого не происходит.

Причем после отжига, резко повышается хрупкость самого материала, что сильно ограничивает его дальнейшее применение на практике (зачастую невозможно согнуть без излома).

В качестве испытуемых материалов были выбраны МАР 1К (Санкт-Петербург), MCL61 (Германия), ММР-50 (собственное производство).

Вместе с МАР 1К мы испытаем исходное сырье, не прошедшее дополнительного отжига (скорее всего МАР 1К проходил дополнительную термическую обработку из-за чего стал очень хрупким) и сравним их характеристики.

Так же сравним ММР-50 (не проходит дополнительную термическую обработку) и термообработанный материал и, по возможности, снимем видео обзор.

ММР-50 — оптимальное отношение цена/эксплуатационные характеристики

Муки выбора исходного сырья были очень долгими. С материалом было проведено много различных манипуляций (и температурная обработка, и перемагничивание, и т.д). В итоге сделан тестовый образец, который получил такую номенклатуру и проходит в настоящий момент испытания на предмет определения коэффициента ослабления переменных магнитных полей.

Основной задачей является максимальное подавление МП промышленной частоты (50 Гц) и основных гармоник (100, 150 Гц). Изделие собрано из лент аморфного сплава, имеющих толщину около 30 микрон. Максимальное ослабление достигается при полной изоляции (укрытии) защищаемого объекта или источника МП.

Хочется отметить, что ММР-50 практически не работает в сильных полях, имеющих уровень свыше 300 мТл (за счет относительно низкого уровня индукции насыщения). Этим свойством обладают все наши вышеперечисленные аналоги. Для сведения: при решении большинства задач, уровень МП не превышает и 1 мТл.

Для максимально точного определения коэффициента экранирования будем проводить по 3 замера каждой контрольной точки и выводить усредненное значение по ним. Даже малейшая щель между экранированным коробом и образцом дает сильное падение коэффициента ослабления, поэтому и увеличиваем число измерений.

В следующей части обзора представлены графики на конкретных частотах тестирования. На графиках представлены зависимости коэффициента ослабления от уровня внешнего магнитного поля в пределах 500 нТл…20 мкТл. В процессе дополнения данных, будем их размещать и делать по ним заметки.

Для начала приведем зависимость уровня магнитной индукции на частоте 50 Гц от расстояния до излучающей катушки (источника).

Из данного графика можно сделать вывод, что основным средством по уменьшению уровня МП является увеличение расстояния до источника.

Часть 2. Тестирование ММР-50

Источник: https://neokip.ru/blog/testirovanie-materiala-dlya-ekranirovaniya-peremennykh-magnitnykh-poley/

Изолятор для магнита и экранирование магнитного поля

Экранирование магнитного поля

Как сделать так, чтобы два магнита, находящиеся рядом друг с другом, не чувствовали присутствие друг друга? Какой материал нужно разместить между ними, чтобы силовые линии магнитного поля от одного магнита не достигали бы второго магнита?

Этот вопрос не такой тривиальный, как может показаться на первый взгляд. Нам нужно по настоящему изолировать два магнита.

То есть, чтобы эти два магнита можно было по разному поворачивать и по разному перемещать их относительно друг друга и тем не менее, чтобы каждый из этих магнитов вёл себя так, как будто бы другого магнита рядом нет.

Поэтому всякие фокусы с размещением рядом третьего магнита или ферромагнетика, для создания какой-то особой конфигурации магнитных полей с компенсацией всех магнитных полей в какой-то одной отдельно взятой точке, принципиально не проходят.

Диамагнетик???

Иногда ошибочно думают, что таким изолятором магнитного поля может служить диамагнетик. Но это не верно. Диамагнетик действительно ослабляет магнитное поле.

Но он ослабляет магнитное поле только в толще самого диамагнетика, внутри диамагнетика.

Из-за этого многие ошибочно думают, что если один или оба магнита замуровать в куске диамагнетика, то, якобы, их притяжение или их отталкивание ослабеет.

Но это не является решением проблемы. Во-первых, силовые линии одного магнита всё равно будут достигать другого магнита, то есть магнитное поле только уменьшается в толще диамагнетика, но не исчезает совсем. Во-вторых, если магниты замурованы в толще диамагнетика, то мы не можем их двигать и поворачивать относительно друг друга.

А если сделать из диамагнетика просто плоский экран, то этот экран будет пропускать сквозь себя магнитное поле. Причем, за этим экраном магнитное поле будет точно такое же, как если бы этого диамагнитного экрана не было бы вообще.

Это говорит о том, что даже замурованные в диамагнетик магниты не испытают на себе ослабления магнитного поля друг друга. В самом деле, ведь там, где находится замурованный магнит, прямо в объеме этого магнита диамагнетик попросту отсутствует.

А раз там, где находится замурованный магнит, отсутствует диамагнетик, то значит, оба замурованных магнита на самом деле взаимодействуют друг с другом точно также, как если бы они не были замурованы в диамагнетике.

Диамагнетик вокруг этих магнитов также бесполезен, как и плоский диамагнитный экран между магнитами.

Идеальный диамагнетик

Нам нужен такой материал, который бы, вообще, не пропускал через себя силовые линии магнитного поля. Нужно чтобы силовые линии магнитного поля выталкивались из такого материала. Если силовые линии магнитного поля проходят через материал, то, за экраном из такого материала, они полностью восстанавливают всю свою силу. Это следует из закона сохранения магнитного потока.

В диамагнетике ослабление внешнего магнитного поля происходит за счет наведенного внутреннего магнитного поля. Это наведенное магнитное поле создают круговые токи электронов внутри атомов.

При включении внешнего магнитного поля, электроны в атомах должны начать двигаться вокруг силовых линий внешнего магнитного поля.

Это наведенное круговое движение электронов в атомах и создает дополнительное магнитное поле, которое всегда направлено против внешнего магнитного поля. Поэтому суммарное магнитное поле в толще диамагнетика становится меньше, чем снаружи.

Но полной компенсации внешнего поля за счет наведенного внутреннего поля не происходит. Не хватает силы кругового тока в атомах диамагнетика, чтобы создать точно такое же магнитное поле, как внешнее магнитное поле. Поэтому в толще диамагнетика остаются силовые линии внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле, как бы, «пробивает» материал диамагнетика насквозь.

Единственный материал, который выталкивает из себя силовые линии магнитного поля, это сверхпроводник. В сверхпроводнике внешнее магнитное поле наводит такие круговые токи вокруг силовых линий внешнего поля, которые создают противоположно направленное магнитное поле в точности равное внешнему магнитному полю. В этом смысле сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

На поверхности сверхпроводника вектор напряженности магнитного поля всегда направлен вдоль этой поверхности по касательной к поверхности сверхпроводящего тела. На поверхности сверхпроводника вектор магнитного поля не имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности сверхпроводника. Поэтому силовые линии магнитного поля всегда огибают сверхпроводящее тело любой формы.

Огибание сверхпроводника линиями магнитного поля

Но это совсем не означает, что если между двумя магнитами поставить сверхпроводящий экран, то он решит поставленную задачу. Дело в том, что силовые линии магнитного поля магнита пойдут к другому магниту в обход экрана из сверхпроводника. Поэтому от плоского сверхпроводящего экрана будет только ослабление влияния магнитов друг на друга.

Это ослабление взаимодействия двух магнитов будет зависеть от того, на сколько увеличилась длина силовой линии, которая соединяет два магнита друг с другом. Чем больше длины соединяющих силовых линий, тем меньше взаимодействие двух магнитов друг с другом.

Это точно такой же эффект, как если увеличивать расстояние между магнитами без всякого сверхпроводящего экрана. Если увеличивать расстояние между магнитами, то длины силовых линий магнитного поля тоже увеличиваются.

Значит, для увеличения длин силовых линий, которые соединяют два магнита в обход сверхпроводящего экрана, нужно увеличивать размеры этого плоского экрана и по длине и по ширине. Это приведет к увеличению длин обходящих силовых линий. И чем больше размеры плоского экрана по сравнению с рассстоянием между магнитами, тем взаимодействие между магнитами становится меньше.

Взаимодействие между магнитами полностью исчезает только тогда, когда оба размера плоского сверхпроводящего экрана становятся бесконечными. Это аналог той ситуации, когда магниты развели на бесконечно большое расстояние, и поэтому длина соединяющих их силовых линий магнитного поля стала бесконечной.

Теоретически, это, конечно, полностью решает поставленную задачу. Но на практике мы не можем сделать сверхпроводящий плоский экран бесконечных размеров. Хотелось бы иметь такое решение, которое можно осуществить на практике в лаборатории или на производстве. (Про бытовые условия речи уже не идет, так как в быту невозможно сделать сверхпроводник.)

Разделение пространства сверхпроводником

По другому, плоский экран бесконечно больших размеров можно интерпретировать как разделитель всего трехмерного пространства на две части, которые не соединены друг с другом.

Но пространство на две части может разделить не только плоский экран бесконечных размеров. Любая замкнутая поверхность делит пространство тоже на две части, на объем внутри замкнутой поверхности и объем вне замкнутой поверхности.

Например, любая сфера делит пространство на две части: шар внутри сферы и всё, что снаружи.

Поэтому сверхпроводящая сфера является идеальным изолятором магнитного поля. Если поместить магнит в такую сверхпроводящую сферу, то никогда никакими приборами не удается обнаружить, есть ли внутри этой сферы магнит или его там нет.

И, наоборот, если Вас поместить внутрь такой сферы, то на Вас не будут действовать внешние магнитные поля. Например, магнитное поле Земли невозможно будет обнаружить внутри такой сверхпроводящей сферы никакими приборами. Внутри такой сверхпроводящей сферы можно будет обнаружить только магнитное поле от тех магнитов, которые будут находиться тоже внутри этой сферы.

Таким образом, чтобы два магнита не взаимодействовали друг с другом надо один из этих магнитов поместить во внутрь сверхпроводящей сферы, а второй оставить снаружи.

Тогда магнитное поле первого магнита будет полностью сконцентрировано внутри сферы и не выйдет за пределы этой сферы. Поэтому второй магнит не почувствует привутствие первого.

Точно также магнитное поле второго магнита не сможет залезть во внутрь сверхпроводящей сферы. И поэтому первый магнит не почувствует близкое присутствие второго магнита.

Наконец, оба магнита мы можем как угодно поворачивать и перемещать друг относительно друга. Правда первый магнит ограничен в своих перемещениях радиусом сверхпроводящей сферы. Но это только так кажется.

На самом деле взаимодействие двух магнитов зависит только лишь от их относительного расположения и их поворотов вокруг центра тяжести соответствующего магнита. Поэтому достаточно разместить центр тяжести первого магнита в центре сферы и туда же в центр сферы поместить начало координат.

Все возможные варианты расположения магнитов будут определяться только всеми возможными вариантами расположения второго магнита относительно первого магнита и их углами поворотов вокруг их центров масс.

Разумеется вместо сферы можно взять любую другую форму поверхности, например, эллипсоид или поверхность в виде коробки и т.п. Лишь бы она делила пространство на две части. То есть в этой поверхности не должно быть дырочки, через которую может пролезть силовая линия, которая соединит внутренний и внешний магниты.

Источник: http://quarkon.ru/physics/supermag.htm

Магнитное экранирование

Экранирование магнитного поля

Экранирование магнитных полей может быть осуществленно двумя методами:

Экранирование с помощью ферромагнитных материалов.

Экранирование с помощью вихревых токов.

Первый метод применяется обычно при экранировании постоянных МП и полей низкой частоты. Второй метод обеспечивает значительную эффективность при экранировании МП высокой частоты. Из-за поверхностного эффекта плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциально­му закону:

Где

— показатель уменьшения поля и тока, который назы­вают эквивалентной глубиной проникновения.

Чем меньше глубина проникновения, тем больший ток течет в поверхностных слоях экрана, тем больше создаваемое им обратное МП, вытесняющее из пространства, занятое экраном, внешнее поле источника наводки.

Если экран сделан из немагнитного материала, то экранирующий эффект будет зависеть только от удельной проводимости материала и частоты экранирующего поля. Если экран сделан из ферромагнитного материала, то при прочих равных условиях внешним полем в нем будет наводиться большая э. д. с. благодаря большей концентрации магнитных силовых линий.

При одинаковой удельной проводимости материала увеличатся вихревые токи, что приведет к меньшей глубине проникновения и к лучшему экранирующему эффекту.

При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а ру­ководствоваться соображениями механической прочно­сти, веса, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления меж­ду ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и прочим.

Характеристика Медь Латунь Аллю-миний Сталь Сталь Пер- маллой
Удельное сопротивление Ом (мм2/м) 0.0175 0.06 0,03 0.1 0.1 0,65
Удельная проводимость См (см») 57*104 16.6*104 33*104 10*104 10*104 1,54* *104
Относительная магнитная проницаемость.
Эквивалентная глубина проник­новения 8. мм. при частоте, Гц: 102 103 104 105 106 107 108   6.7000 2.1000 0,6700 0.2100 0.0670 0.0210 0.0007     12.4000 3.9000 1.2400 0.3900 0.1240 0,0390 0.0124   8.8000 2,7509 0.Р800 0.2750 0,0880 0.0275 0.0088   — — — — 0,0230 0.0070 0.0023   1.640 0,490 0.164 0.049 — — —   0.380 0.120 0,038 0.012 — — —

Из данных таблицы видно, что для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленки толщиной около 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированого гетинакса или стеклотекстолита.

На больших частотах сталь дает больший экранирующий эффект, чем немагнитные металлы. Однако стоит учитывать, что такие экраны могут вносить значительные потери в экранируемые цепи вследствие большого удельного сопротивления и явления гистерезиса. Поэтому такие экраны применимы только в тех случаях, когда с вносимыми потерями можно не считаться.

Так же для большей эффективности экранирования экран должен обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух, тогда силовые линии магнитного поля стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшем числе проникают в пространство вне экрана.

Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия магнитного поля и для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана.

Существует много марок стали и пермаллоя с различными величинами магнитной проницаемости, поэтому для каждого материала нужно расчитывать величину глубины проникновения. Расчет производится по приближенному уравнению:

1) Защита от внешнего магнитного поля

Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля (линии индукции магнитного поля помех) будут проходить в основном по толще стенок экрана, обладающего малым магнитным сопротивлением по сравнению с сопротивлением пространства внутри экрана. В результате внешнее магнитное поле помех не будет влиять на режим работы электрической цепи.

2) Экранирование собственного магнитного поля

Такое кранирование используется, если ставится задача предохранения внешних электрических цепей от воздействия магнитного поля, создаваемого током катушки. Индуктивности L, т. е.

когда требуется практически локализовать помехи, создаваемые индуктивностью L, то такая задача решается при помощи магнитного экрана, как это схематически показано на рисунке.

Здесь почти все силовые линии поля катушки индуктивности будут замыкаться через толщу стенок экрана, не выходя за их пределы вследствие того, что магнитное сопротивление экрана намного меньше сопротивления окружающего пространства.

3) Двойной экран

В двойном магнитном экране можно представить себе, что часть магнитных силовых линий, которые выйдут за толщу стенок одного экрана, замкнутся через толщу стенок второго экрана.

Точно также можно представить себе действие двойного магнитного экрана при локализации магнитных помех, создаваемых элементом электрической цепи, находящимся внутри первого (внутреннего) экрана: основная масса магнитных силовых линий (линии магнитного рассеяния) замкнется через стенки наружного экрана. Разумеется, что в двойных экранах должны быть рационально выбраны толщины стенок и расстояние между ними.

Общий коэффициент экранирования достигает наибольшей величииы в тех случаях, когда толщина стенок и промежуток между экранами увеличивается пропорционально расстоянию от центра экрана, причем величина промежутка является средней геометрической величиной толщин стенок примыкающих к нему экранов. При этом коэффициент экранирования:

L = 20lg (H/Нэ)

Изготовление двойных экранов в соответствии с указанной рекомендацией практически затруднено из технологических соображений.

Значительно целесообразнее выбрать расстояние между оболочками, прилегающими к воздушному промежутку экранов, большим, чем толщина первого экрана, приблизительно равным расстоянию между стеикой первого экрана и краем экранируемого элемента цепи (например, катушки иидуктивности).

Выбор той или иной толщины стенок магнитного экрана нельзя сделать однозначным. Рациональная толщина стенок определяется. материалом экрана, частотой помехи и заданным коэффициентом экранирования. При этом полезно учитывать следующее.

1.

При повышении частоты помех (частоты переменного магнитного поля помех) магнитная проницаемость материалов падает и вызывает снижение экранирующих свойств этих материалов, так как по мере снижения магнитной проницаемости возрастает сопротивление магнитному потоку, оказываемое экраном. Как правило, уменьшение магнитной проницаемости с повышением частоты идет наиболее интенсивно у тех магнитных материалов, у которых имеется наибольшая начальная магнитная проницаемость. Например, листовая электротехническая сталь с малой начальной магнитной проницаемостью мало изменяет величину jx с повышением частоты, а пермаллой, имеющий большие начальные значения магнитной проницаемости, весьма чувствителен к повышению частоты магнитного поля; магнитная проницаемость у него резко падает с частотой.

2. В магнитных материалах, подверженных действию высокочастотного магнитного поля помех, заметно проявляется поверхностный эффект, т. е. вытеснение магнитного потока к поверхности стенок экрана, вызывая увеличение магнитного сопротивления экрана.

При таких условиях кажется, что почти бесполезно увеличивать толщину стенок экрана за пределы тех величин, которые заняты магнитным потоком при данной частоте. Такой вывод неправилен, ибо увеличение толщины стенок приводит к снижению магнитного сопротивления экрана даже при наличии поверхностного эффекта.

При этом одновременно следует учитывать и изменение магнитной проницаемости.

Так как явление поверхностного эффекта в магнитных материалах обычно начинает сказываться заметнее, чем снижение магнитной проницаемости в области низких частот, то влияние обоих факторов на выбор толщины стенок экрана будет различным на разных диапазонах частот магнитных помех.

Как правило, снижение экранирующих свойств с повышением частоты помехи сильнее проявляется в экранах из материалов с высокой начальной магнитной проницаемостью. Указанные выше особенности магнитных материалов дают основание для рекомендаций по выбору материалов и толщины стенок магнитных экранов. Эти рекомендации могут быть сведены к следующим:

А) экраны из обычной электротехнической (трансформаторной) стали, обладающие малой начальной магнитной проницаемостью, можно применять при необходимости обеспечить малые коэффициенты экранирования (Кэ 10); такие экраны обеспечивают почти неизменный коэффициент экранирования в достаточно широкой полосе частот, вплоть до нескольких десятков килогерц; толщина таких экранов зависит от частоты помехи, причем чем ниже частота, тем большая толщина экрана требуется; например, при частоте магнитного поля помех 50—100 гц толщина стенок экрана должна быть приблизительно равна 2 мм; если требуется увеличение коэффициента экранирования или большая толщина экрана, то целесообразно применять несколько экранирующих слоев (двойных или тройных экранов) меньшей толщины;

Б) экраны из магнитных материалов с высокой начальной проницаемостью (например пермаллой) целесообразно применять при необходимости обеспечения большого коэффициента экранирования (Кэ > Ю) в сравнительно узкой полосе частот, причем толщину каждой оболочки магнитного экрана нецелесообразно выбирать больше 0,3—0,4 мм; экранирующее действие таких экранов начинает заметно падать на частотах, выше нескольких сот или тысяч герц, в зависимости от начальной проницаемости этих материалов.

Все сказанное выше о магнитных экранах справедливо в отношении слабых магнитных полей помех.

Если же экран находится вблизи от мощных источников помех и в нем возникают магнитные потоки с большой магнитной индукцией, то, как известно, приходится учитывать изменение магнитной динамической проницаемости в зависимости от индукции; необходимо также учитывать при этом потери в толще экрана.

Практически же с такими сильными источниками магнитных полей помех, при которых надо было бы считаться с их действием на экраны, не встречаются, за исключением некоторых специальных случаев, не предусматривающих радиолюбительскую практику и нормальные условия работы радиотехнических устройств широкого применения.

Тест

1.

При магнитном экранировании экран должен:
1) Обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух 2) обладать равным воздуху магнитным сопротивлением

3) обладать большим магнитным сопротивлением, чем воздух

2. При экранировании магнитного поля Заземление экрана:
1) Не влияет на эффективность экранирования 2) Увеличивает эффективность магнитного экранирования

3) Уменьшает эффективность магнитног экранирования

3. На низких частотах (100кГц) эффективность магнитного экранирования не зависит от:
1) Толщины экрана

2) Магнитной проницаемости материала
3) Расстояния между экраном и другими магнитопроводами.

Использованая литература:

1.

Волин, М. Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре / М. Л. Волин – Москва, «Радио и связь», 1981г.

2. Семененко, В. А. Информационная безопасность / В. А. Семененко — Москва, 2008г.

3. Ярочкин, В. И. Информационая безопасность / В. И. Ярочкин – Москва, 2000г.

4. Демирчан, К. С. Теоретические основы электротехники III том / К. С. Демирчан С.-П, 2003г.

Источник: https://megaobuchalka.ru/1/23132.html

Booksm
Добавить комментарий