Что такое экранирование в физике
Что такое экранирование в физике
Экранирование является одним из самых эффективных методов защиты от электромагнитных излучений. Под экранированием понимается размещение элементов КС, создающих электрические, магнитные и электромагнитные поля, в пространственно замкнутых конструкциях. Способы экранирования зависят от особенностей полей, создаваемых элементами КС при протекании в них электрического тока.
Характеристики полей зависят от параметров электрических сигналов в КС. Так при малых токах и высоких напряжениях в создаваемом поле преобладает электрическая составляющая. Такое поле называется электрическим (электростатическим). Если в проводнике протекает ток большой величины при малых значениях напряжения, то в поле преобладает магнитная составляющая, а поле называется магнитным. Поля, у которых электрическая и магнитная составляющие соизмеримы, называются электромагнитными.
Экранирование электрического поля, заземленным металлическим экраном обеспечивает нейтрализацию электрических зарядов, которые стекают по заземляющему контуру. Контур заземления должен иметь сопротивление не более 4 Ом. Электрическое поле может экранироваться и. с помощью диэлектрических экранов, имеющих высокую относительную диэлектрическую проницаемость ε. При этом поле ослабляется в ε раз [64].
При экранировании магнитных полей различают низкочастотные магнитные поля (до 10 кГц) и высокочастотные магнитные поля.
Низкочастотные магнитные поля шунтируются экраном за счет направленности силовых линий вдоль стенок экрана. Этот эффект вызывается большей магнитной проницаемостью материала экрана по сравнению с воздухом.
Высокочастотное магнитное поле вызывает возникновение в экране переменных индукционных вихревых токов, которые создаваемым ими магнитным полем препятствуют распространению побочного магнитного поля. Заземление не влияет на экранирование магнитных полей. Поглощающая способность экрана зависит от частоты побочного излучения и от материала, из которого изготавливается экран. Чем ниже частота излучения, тем большей должна быть толщина экрана. Для излучений в диапазоне средних волн и выше достаточно эффективным является экран толщиной 0,5-1,5 мм. Для излучений на частотах свыше 10 МГц достаточно иметь экран из меди или серебра толщиной 0,1 мм.
Электромагнитные излучения блокируются методами высокочастотного электрического и магнитного экранирования.
Элементы схем с высоким уровнем побочных излучений могут помещаться в металлические или металлизированные напылением заземленные корпуса. Начиная с уровня блоков, экранирование осуществляется с помощью конструкций из листовой стали, металлических сеток и напыления. Экранирование кабелей осуществляется с помощью металлической оплетки, стальных коробов или труб.
При экранировании помещений используются: листовая сталь толщиной до 2 мм, стальная (медная, латунная) сетка с ячейкой до 2,5 мм. В защищенных помещениях экранируются двери и окна. Окна экранируются сеткой, металлизированными шторами, металлизацией стекол и оклеиванием их токопроводящими пленками. Двери выполняются из стали или покрываются токопроводящими материалами (стальной лист, металлическая сетка). Особое внимание обращается на наличие электрического контакта токопроводящих слоев двери и стен по всему периметру дверного проема. При экранировании полей недопустимо наличие зазоров, щелей в экране. Размер ячейки сетки должен быть не более 0,1 длины волны излучения.
В защищенной ПЭВМ, например, экранируются блоки управления электронно-лучевой трубкой, корпус выполняется из стали или металлизируется изнутри, экран монитора покрывается токопроводящей заземленной пленкой и (или) защищается металлической сеткой.
Экранирование, помимо выполнения своей прямой функции защиты от ПЭМИН, значительно снижает вредное воздействие электромагнитных излучений на организм человека. Экранирование позволяет также уменьшить влияние электромагнитных шумов на работу устройств.
Физическая сущность экранирования
· поглощение (вихревые токи) при этом энергия паразитного поля идёт на джоулевое тепло, перемагничивание
Эффективность экранирования зависит от материала экрана, толщины экрана. Количественно эффективность экрана определяется численным значением коэффициентом экранирования. Под коэффициентом экранирования понимается отношения величины напряженности паразитного поля до экрана к напряженности паразитного поля после экрана т.е. коэффициент экранирования прошедшего через экран вычисляется как в децибельной форме, так и не в децибельной
Магнитостатический экран – экран изготовляется из ферромагнитных материалов (пермалой, сталь) с большой магнитной проницаемостью. Линии индукции проходят, в основном, по стенкам экрана, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством (чем толще экран и меньше стыков, тем меньше сопротивление). В магнитостатическом экранирование толщина экрана берется очень большой – от 0,5 до 1,5 мм. Материал – ферромагнетики с большой магнитной проницаемостью (пермалой, ферриты). При наличии такого экрана силовые магнитные линии проходят, в основном, по его стенкам, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с сопротивлением воздушного пространства (эффект шунтирования).
Электромагнитный экран – механизм подавления помех состоит в отражении поля от поверхности экрана (вытеснению внешнего поле из пространства, занятого экраном) и затуханию его в теле экрана (с повышением частоты) и основан на действии возникающих в теле экрана вихревых токов.
Для экрана используются материалы, содержащие алюминий, медь, серебро, золото, марганец, бериллий с низким удельным сопротивлением.
Защита конструкторской аппаратуры от воздействия влаги
В процессе производства, хранения и эксплуатации аппаратура может подвергаться воздействию влаги (водяного пара), содержащейся в окружающем пространстве. Содержание влаги в воздухе зависит от температуры и давления.
Величины, характеризующие массу водяного пара, находящегося в воздухе:
1. Упругость или парциальное давление водяного пара. Измеряется в Паскалях и характеризует количество влаги, находящееся в атмосферном воздухе.
3. Относительная влажность – выраженное в процентах отношение фактической абсолютной влажности к максимально возможной.
4. Точка росы – температура полного насыщения воздуха водяным паром.
Воздействие влаги появляется в том, что происходит разрушение структуры материала. Проявляется это по-разному:
· в металлах происходит коррозия;
· в изоляционных материалах поглощением влаги и как следствие понижением изоляционных свойств.
При воздействии влаги:
· снижаются электроизоляционные свойства;
· нарушается сопротивление изоляции;
· растут диэлектрические потери;
· разрушается структура резисторов и изменяется их сопротивление;
· накапливаются объемные заряды в биполярных полупроводниковых интегральных схемах;
· в виду того, что микро миниатюризация электронной аппаратуры приводит к снижению расстояний между токонесущими частями, попадание влаги вызывает деградацию параметров (штепсельные разъемы, переходные платы, межслойное пространство многослойных плат с печатным монтажом);
· коррозия металлизации интегральных схем;
· проникновение влаги в пластмассовые корпуса из-за недостаточной их герметизации.
Собственно влияние влаги на электронную базу носит обратимый характер, однако при прохождении электрического тока эти изменения становятся необратимыми.
Способы влагозащиты аппаратуры
Для защиты применяются так называемые влагозащитные конструкции.
Монолитные оболочки – составляют неразрывное целое с защищаемым узлом. Сложность создания оболочек объясняется тем, что они часто служат несущей конструкцией, теплоотводом, защитой от электрических воздействий, ионизирующих излучений, пыли, света, микроорганизмов.
Полые (пустые) влагозащитные оболочки защищают от механического контакта с оболочкой, что обеспечивает работу в более широком диапазоне температур, и исключают химическое воздействие оболочки и защищаемого компонента. Полые оболочки, как правило, имеют более высокую эффективность влагозащиты, но имеют значительные габариты, массу, стоимость. Наиболее эффективно использование полых оболочек для групповой герметизации. Стоимость полых оболочек высокая, ремонтоспособность низкая. Ниже показано многообразие влагозащитных конструкций.
Воздействие колебаний атмосферного давления.
На поверхности земли колебания атмосферного давления незначительны, поэтому они существенного влияния на аппаратуру не оказывают. Однако, аппаратура, используемая в высокогорных работах, в подземных и подводных условиях испытывают влияние атмосферного давления, которое существенно отличается от нормального. Особенно сильное воздействие испытывает аппаратура, устанавливаемая на борту летательных аппаратов и морских судов.
Изменение атмосферного давления проявляется непосредственно и косвенно.
Непосредственное воздействие состоит в том, что изменяются характеристики элементов. Например, у конденсаторов с воздушным диэлектриком изменяется емкость и допустимое рабочее напряжение.
Косвенное воздействие состоит в том, что, например, при повышении давления, ухудшается условие воздушного охлаждения аппаратуры вследствие уменьшения плотности воздуха.
Электростатическое экранирование
Изучите явление экранирования в электрическом поле. Читайте, какая роль у клетки Фарадея и ее характеристика, ограничение эффективности клетки Фарадея.
Это явление возникает, если клетка Фарадея блокирует эффекты электрического поля.
Задача обучения
Основные пункты
Термин
Электростатическое экранирование – функционирование клетки Фарадея, блокирующей эффекты электрического поля. Она способна перекрыть влияние внешнего поля на внутреннее содержимое или воздействие не внешнюю среду.
Сама клетка Фарадея – замкнутая камера, представленная проводящим материалом или подобной сеткой. Впервые ее изобрел в 1836 году Майкл Фарадей. Ей удается блокировать внешние статические и нестатические электрические поля.
Если внешнее электрическое поле функционирует на клетке Фарадея, то заряды внутри клетки перестраиваются, чтобы сопротивляться полю и защитить внутреннюю часть от влияния.
Когда используется поле, отрицательный заряд перебегает к положительной стороне поля и отменяет эффекты на обоих концах клетки
Давайте взглянем на заряд в клетке Фарадея. Если клетка не заземлена, то электроны в ней перестроятся таким образом, что внутренняя стенка примет заряд, противоположный внутреннему. Но при заземлении избыточные заряды внешней стороны клетки уйдут в землю, оставляя внешнюю стенку с нейтральным зарядом.
Ограничения
У клетки Фарадея есть ограничение по эффективности, потому что ей не удается блокировать статические и медленно изменяющиеся магнитные поля (как земное). Но она способна экранировать внутреннюю часть от внешнего магнитного излучения, если сетка уступает по длине волны излучения, а экран плотный.
Применения
Микроволновые печи вмещают внутри себя энергию, защищая внешний мир от вредных лучей.
Электрические проводники часто наделены оболочкой из клеток Фарадея, чтобы обезопасить от удара током.
Лифт выступает случайной клеткой Фарадея, экранируя мобильные телефоны и радиосигналы от наружных сигналов.
магнитное экранирование
где 
— радиус эквивалентной сферы (практически ср. значение размеров экрана в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, т. к. форма экрана мало влияет на эффективность М. э.).
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:
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.
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.
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.
ЭКРАНИРОВАНИЕ
Часто приходится бороться с паразитной емкостной или индуктивной связью между контурами или цепями радиоаппаратуры. Для уменьшения паразитной связи можно удалить друг от друга контуры или провода, но это приводит к увеличению размеров радиоаппаратуры. Гораздо лучше применять экранирование.
Экранированием называется защита одного контура от воздействия другого контура или одной цепи от влияния другой цепи с помощью металлических листов — экранов.
Экраны служат для устранения как индуктивной, так и емкостной связей. На низких частотах для устранения индуктивной связи применяют экраны из ферромагнитных материалов, например из листовой стали толщиной 0,5—1,5 мм. В этом случае используется способность стали втягивать в себя магнитные силовые линии. Благодаря ее высокой магнитной проницаемости силовые линии замыкаются в экране и не выходят за его пределы.
На высоких частотах лучшее экранирование магнитных полей дают экраны из диамагнитных, хорошо проводящих металлов (чаще всего применяется алюминий толщиной 0,3—1 мм). Действие таких экранов заключается в том, что магнитный поток катушки индуктирует в экране токи, которые по закону Ленца создают свой магнитный поток противоположного направления, почти полностью компенсирующий основной магнитный поток за пределами экрана. Чтобы потери на создание в экране токов не были велики, не следует располагать экраны слишком близко к катушкам. Желательно, чтобы диаметр и длина экранирующего чехла были соответственно не меньше удвоенных диаметра и длины намотки катушки. Тогда качество контура почти не ухудшится. Следует иметь в виду, что экраны заметно уменьшают индуктивность катушек (на 10—20%).
На схеме экраны принято обозначать штриховыми линиями.
Иногда бывает необходимо устранить паразитную емкостную связь между двумя катушками, чтобы связь между контурами была чисто индуктивной. Сплошной металлический экран в этом случае непригоден, так как он уничтожит индуктивную связь. Для устранения только емкостной связи применяют электростатический экран в виде сетки из проволочек, соединенных друг с другом и с землей только одним концом. В таком экране не возникают индуктированные токи, так как для них нет замкнутых цепей. На (рис.2) показаны схематическое обозначение подобного экрана и принцип одной из его конструкций.