Материалы для магнитных экранов

По принципу действия различают электростатические, магнитостатические и электромагнитные экраны.

Экранирующее действие металлического экрана обуславливается двумя причинами: отражением поля от экрана и затуханием поля при прохождении сквозь металл. Каждое из этих явлений не зависит одно от другого и должно рассматриваться отдельно, хотя общий экранирующий эффект является результатом их обоих. 

Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхности металлической массы экрана и передаче электрических зарядов на корпус устройства (рис 1.).

Если между элементом конструкции А, создающим электрическое поле, и элементом Б, для которого влияние этого поля вредно, поместить экран В, соединенный с корпусом (землей) изделия, то он будет перехватывать электрические силовые линии, защищая элемент Б от вредного влияния элемента А. Следовательно, электрическое поле может быть надежно экранировано даже очень тонким слоем металла.

Индуктированные заряды располагаются на внешней поверхности экрана так, что электрическое поле внутри экрана равно нулю.

Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толщине экрана, имеющего повышенную магнитную проницаемость. Материал экрана должен обладать магнитной проницаемостью значительно больше магнитной проницаемости окружающей среды. Принцип действия магнитостатического экрана показан на рис 2.

Магнитный поток, создаваемый элементом конструкции (в данном случае проводом), замыкается в стенках магнитного экрана вследствие его малого магнитного сопротивления. Эффективность такого экрана тем больше, чем больше его магнитная проницаемость и толщина.

Магнитостатический экран применяют только при постоянном поле или в диапазоне низких частот изменения последнего.

Электромагнитное экранирование основано на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами, наведенными им в толще и на поверхности токопроводящего материала экрана. Принцип электромагнитного экранирования иллюстрирован на рис. 3. Если на пути однородного магнитного потока поместить медный цилиндр (экран), то в нем возбудятся переменные Э.Д.С., которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи. Магнитное поле этих токов будет замкнутым (рис 3б); внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным (рис. 3в) внутри цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующие действие.

Эффективность электромагнитного экранирования увеличивается с увеличением обратного поля, которое будет тем больше, чем больше протекающие по цилиндру вихревые токи, т.е. чем больше электрическая проводимость цилиндра.

Ослабление магнитного поля металлом может быть вычислено. Оно пропорционально толщине экрана, коэффициенту вихревых токов и корню квадратному из произведения частоты поля, магнитной проницаемости и проводимости материала экрана.

Экраны могут быть как однослойными, так и многослойными с воздушным зазором между ними, цилиндрическими и с прямоугольным сечением. Расчет количества слоев экрана может быть проведен по достаточно громоздким формулам, поэтому выбор количества слоев рекомендуется производить по кривым эффективности экранирования, приведенными в справочниках.

При экранировании элементов изделия магнитостатическими и электромагнитными экранами следует учитывать, что они будут эффективны и как электростатические экраны, если их надежно соединить с корпусом устройства.

Оборудование, приборы и инструмент

При выполнении работы используются: установка для создания электромагнитного поля; генератор сигналов специальной формы Г6-26; измерительная катушка для оценки напряженности электромагнитного поля; осциллограф С1-64; вольтметр; комплект экранов, изготовленных их различных материалов.

Краткая характеристика применяемого оборудования, приборов и инструмента

• Генератор сигналов специальной формы Г6-26 предназначен для исследования систем автоматического регулирования, испытания радиотехнических устройств, работающих в диапазонах инфранизких и звуковых частот, а так же в области геофизики. Генератор имеет основной симметричный выход сигналов синусоидальной формы. Диапазон частот генератора составляет 0,001-1000 Гц с 6разделением на поддиапазоны: 0,001 – 0,01 Гц, 0,01 – 0,1 Гц; 0,1 – 1 Гц; 1 - 10 Гц, 10 – 100 Гц; 100 - 100 Гц; 1000 – 10000 Гц. Диапазон номинальных выходных напряжений (амплитуд) на основном выходе при внешней нагрузке 1кОм и параллельных паразитных емкостях не более 150 пФ составляет 10МВ – 10В. 
• Установка для создания электромагнитного поля (рис. 6). Центральным элементом установки является катушка 1 возбуждения электромагнитного поля, намотанная в один слой на немагнитный каркас 2 цилиндрической формы. Каркас укреплен на немагнитном основании 3.

Сигнал синусоидальной формы подается с генератора сигналов установки через понижающий трансформатор. Для подключения измерительной катушки 5 к осциллографу и катушки 1 возбуждения электромагнитного поля к генераторам сигналов, на основании 3 установки укреплены клеммные гнезда 6 и 7. Включение установки осуществляется тумблером 8.

Для характеристики экранирующего материала пользуются еще двумя значениями глубины проникновения x_0.1, x_0.01, характеризующими падение плотности напряженности поля (ока) в 10 и 100 раз от значения на его поверхности

которые приводятся в справочных таблицах для различных материалов. В таблице 2 приведены значения x₀, x_0.1, x_0.01, для меди, алюминия, стали и пермаллоя [4].

При выборе материала экрана удобно пользоваться кривыми эффективности экранирования, приведенными на графиках рис.4.

Характеристики сплавов для магнитных экранов

В качестве материала магнитных экранов в слабых полях используются сплавы с высокой магнитной проницаемостью. Пермаллои, относящиеся к группе ковких сплавов с высокой магнитной проницаемостью, хорошо обрабатываются резанием и штамповкой. По составу пермаллои принято делить на низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (72-80% Ni). Для улучшения электромагнитных и технологических свойств пермаллои часто легируют молибденом, хромом, кремнием, кобальтом, медью и другими элементами. Основными показателями электромагнитного качества этих сплавов являются значения начальной µ_нач и максимальной µ_max магнитной проницаемости. Коэрцитивная сила H_c у пермаллоев должна быть как можно меньше, а удельное электрическое сопротивление ρ и намагниченность насыщения M_s как можно более высоким. Зависимость указанных параметров для двойного сплав Fe-Ni от процентного содержания никеля представлена на рис. 5.

Характеристика µ_нач (рис. 5) имеет два максимума, относительный (1) и абсолютный (2). Область относительного минимума ограниченная содержанием никеля 40-50% соответствует низконикелевому пермаллою, а область абсолютного максимума, ограниченная содержанием никеля 72-80% - высоконикелевому. Последний обладает и наибольшим значением µ_max. Течение характеристик µ₀M_s и ρ (рис.5) свидетельствует о том, что магнитное насыщение и удельное электрическое сопротивление у низконикелевого пермаллоя существенно выше, чем у высоконикелевого. Указанные обстоятельства разграничивают сферы применения низконикелевого и высоконикелевого пермаллоев

Низконикелевый пермаллой применяют для изготовления магнитных экранов, работающих в слабых постоянных магнитных полях. Легированный кремнием и хромом низконикелевый пермаллой применяют при повышенных частотах.

Сплавы 79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ с наивысшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях и индукцией насыщения 0,5 –0,75 Тл для магнитных экранов, сердечников магнитных усилителей и бесконтактных реле. Сплавы 27КХ, 49КХ, 49К2Ф и 49К2ФА, обладающие высокой индукцией технического насыщения (2,1 – 2,25 Тл), применяют для магнитных экранов, защищающих аппаратуру от воздействия сильных магнитных полей

Требования по безопасности

Перед началом работы

• Уяснить расположение и назначение органов управления лабораторной установки и измерительной аппаратуры. 
• Подготовить рабочее место для безопасной работы: убрать лишние предметы со стола и установки. 
• Проверить: наличие и исправность системы заземления, целость корпуса установки, питающих шнуров, штепсельных разъемов. Не приступать к работе, если у лабораторной установки (стенда) сняты защитные панели.

Во время работы

• Работу можно проводить только на исправном оборудовании. 
• Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий (жалюзей) в корпусах лабораторных установок посторонними предметами.
• Нельзя оставлять установку включенной, отлучаясь даже на короткое время.
• В случае перерыва в электроснабжении установки ее надо обязательно выключить.

В аварийных ситуациях

Лабораторная установка немедленно должна быть выключена в следующих случаях:

1. несчастный случай или угроза здоровью человека; 
2. появление запаха, характерного для горящей изоляции, пластмасс, краски;
3. появление треска, щелчков, искрения; 
4. повреждение штепсельного соединения или электрического кабеля, питающего установку. 

После окончания работы

• Выключить лабораторную установку и измерительные приборы. 
• Отключить установку и измерительные приборы от сети. Привести в порядок рабочее место. 
• Убрать посторонние предметы, очистить от возможного мусора (ненужной бумаги).

Задание и методика исследований

Экспериментальным путем определить области эффективного использования различных материалов для электромагнитных материалов при изменении частот электромагнитного поля от 102 до 104 Гц.

Подключить установку для создания электромагнитного поля к генератору сигналов. Подключить измерительную катушку к входу осциллографа и к вольтметру. Измерить амплитуду U сигнала, пропорциональную напряженности электромагнитного поля внутри цилиндрического каркаса катушки возбуждения поля. Закрыть измерительную катушку экраном

Измерить амплитуду U’ сигнала с измерительной катушки. Определить эффективность экранирования

на данной частоте и записать в таблицу (см. приложение). 

Проделать измерения по п.5.1.1. для частот 100, 500, 1000, 5000, 104 Гц. Определить эффективность экранирования на каждой частоте.

Исследуемые образцы экранов. Экспериментальное исследование свойств материалов для магнитных экранов осуществляется с применением образцов в

форме цилиндрических стаканов 9 (рис. 6), основные параметры которых приведеныв таблице 3.

Экраны могут быть как однослойными, так и многослойными с воздушным зазором между ними, цилиндрическими и с прямоугольным сечением. Расчет количества слоев экрана может быть проведен по достаточно громоздким формулам, поэтому выбор количества слоев рекомендуется производить по кривым эффективности экранирования, приведенными в справочниках.

При экранировании элементов изделия магнитостатическими и электромагнитными экранами следует учитывать, что они будут эффективны и как электростатические экраны, если их надежно соединить с корпусом устройства

1 – катушка возбуждения электромагнитного поля; 

2 - немагнитный каркас; 

3 - немагнитное основание; 

4 - понижающий трансформатор; 

5 - измерительная катушка; 

6 и 7 – клеммные гнезда; 

8 – тумблер; 

9 – магнитный экран; 

10 – генератор сигналов; 

11 – осциллограф; 

12 – вольтметр.

Провести измерения для экранов из стали обыкновенного качества, пермаллоя, алюминия, меди, латуни. 

По результатам измерений построить кривые эффективности экранирования для различных материалов по типу рис.4. Проанализировать результаты эксперимента. Сравнить результаты эксперимента со справочными данными, сделать выводы. 

Экспериментальным путем определить влияние толщины стенки экрана (стакана) на эффективность экранирования. 

Для материалов с высокой магнитной проницаемостью (сталь, пермаллой) эксперимент провести в электромагнитном поле на частотах 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц, 10000 Гц по методике, изложенной для экранов с различной толщиной стенки. 

Для материалов с электропроводностью (медь, алюминий) эксперимент провести на частотах 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц, 10000 Гц по изложенной методике. 

Проанализировать результаты эксперимента. Сравнить результаты эксперимента с данными, приведенными в таблице 1. Сделать выводы

Результаты измерений

ЛИТЕРАТУРА

1. Гроднев И. И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. М.: Связь. 1972. – 275с. 

2. Конструирование приборов. В 2-х кн. / Под ред. В. Краузе; Пер. с нем. В.Н. Пальянова; Под ред. О.Ф. Тищенко. – Кн. 1-М.: Машиностроение, 1987. 

– 384с. 

3. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник/ под. ред. Ю.М. Пятина. – 2е изд. Перераб. И доп. – М.: Машиностроение, 1982. 

4. Оберган А.Н. Конструирование и технология средств измерений. Учебное пособие. – Томск, Ротапринт ТПИ. 1987. – 95с. 

5. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. – М. Связьиздат, 1968. 

6. Генератор сигналов синусоидальной формы Г6-26. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1980г. - 88с. 

7. Осциллограф С1-64. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Учебно-методическое пособие

Составители: Гормаков А. Н., Мартемьянов В. М

Компьютерный набор и верстка Иванова В. С. 

Технический редактор Белянин Л. Н

Разместил статью: admin
Дата публикации:  19-12-2013, 17:37

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Фомин Дмитрий Владимирович  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!