Elektromagnetické stínění - Electromagnetic shielding

Elektromagnetické stínící klece uvnitř demontovaného mobilního telefonu .

V elektrotechnice je elektromagnetické stínění praxí snižování elektromagnetického pole v prostoru blokováním pole bariérami z vodivých nebo magnetických materiálů. Stínění se obvykle aplikuje na skříně k izolaci elektrických zařízení od jejich okolí a na kabely k izolaci vodičů z prostředí, kterým kabel vede. Elektromagnetické stínění, které blokuje vysokofrekvenční (RF) elektromagnetické záření, je také známé jako RF stínění .

Stínění může snížit vazbu rádiových vln, elektromagnetických polí a elektrostatických polí . Vodivá skříň používaná k blokování elektrostatických polí je také známá jako Faradayova klec . Míra redukce velmi závisí na použitém materiálu, jeho tloušťce, velikosti stíněného objemu a frekvenci sledovaných polí a velikosti, tvaru a orientaci otvorů ve stínění vůči dopadajícímu elektromagnetickému poli.

Použité materiály

Typické materiály používané pro elektromagnetické stínění zahrnují plech , kovové síto a kovovou pěnu . Mezi běžné plechy pro stínění patří měď, mosaz, nikl, stříbro, ocel a cín. Účinnost stínění, tj. To, jak dobře štít odráží nebo pohlcuje / potlačuje elektromagnetické záření, je ovlivněna fyzikálními vlastnostmi kovu. Mohou zahrnovat vodivost, pájitelnost, propustnost, tloušťku a hmotnost. Vlastnosti kovu jsou důležitým faktorem při výběru materiálu. Například elektricky dominantní vlny se odrážejí od vysoce vodivých kovů, jako je měď, stříbro a mosaz, zatímco magneticky dominantní vlny jsou absorbovány / potlačovány méně vodivým kovem, jako je ocel nebo nerezová ocel. Kromě toho musí být jakékoli otvory ve štítu nebo pletivu výrazně menší než vlnová délka záření, které je zadržováno, jinak kryt účinně nepřibližuje neporušený vodivý povrch.

Další běžně používanou metodou stínění, zejména u elektronického zboží uloženého v plastových pouzdrech, je potahování vnitřku pouzdra kovovým inkoustem nebo podobným materiálem. Inkoust se skládá z nosného materiálu naplněného vhodným kovem, obvykle mědí nebo niklem , ve formě velmi malých částic. Nastříká se na skříň a po zaschnutí vytvoří souvislou vodivou vrstvu kovu, kterou lze elektricky spojit s uzemněním podvozku zařízení, což zajišťuje účinné stínění.

Elektromagnetické stínění je proces snižování elektromagnetického pole v oblasti jeho zablokováním vodivým nebo magnetickým materiálem. Měď se používá k vysokofrekvenčnímu stínění (RF), protože pohlcuje rádiové a jiné elektromagnetické vlny . Správně navržené a zkonstruované kryty RF stínění uspokojí většinu požadavků na stínění RF, od počítačových a elektrických rozvoden až po nemocniční zařízení CAT-scan a MRI .

Ukázkové aplikace

Průřez koaxiálním kabelem zobrazujícím stínění a další vrstvy

Jedním příkladem je stíněný kabel , který má elektromagnetické stínění ve formě drátěného pletiva obklopujícího vodič vnitřního jádra. Stínění brání úniku jakéhokoli signálu z vodiče jádra a také zabraňuje přidání signálů do vodiče jádra. Některé kabely mají dvě oddělené koaxiální obrazovky, jedno připojené na obou koncích, druhé pouze na jednom konci, aby maximalizovalo stínění elektromagnetického i elektrostatického pole.

Dveře mikrovlnné trouby mají obrazovku zabudovanou do okna. Z pohledu mikrovln (s vlnovými délkami 12 cm) tato obrazovka dokončuje Faradayovu klec tvořenou kovovým pouzdrem trouby. Viditelné světlo s vlnovými délkami v rozmezí 400 nm až 700 nm snadno prochází otvory na obrazovce.

RF stínění se také používá k zabránění přístupu k datům uloženým na RFID čipech zabudovaných v různých zařízeních, jako jsou biometrické pasy .

NATO stanoví elektromagnetické stínění počítačů a klávesnic, aby se zabránilo pasivnímu monitorování emisí klávesnic, které by umožňovalo zachycení hesel; spotřebitelské klávesnice tuto ochranu nenabízejí primárně kvůli neúnosným nákladům.

RF stínění se také používá k ochraně lékařských a laboratorních zařízení k zajištění ochrany před rušivými signály, včetně AM, FM, TV, pohotovostních služeb, expedice, pagery, ESMR, celulárních a PCS. Lze jej také použít k ochraně zařízení ve vysílacích zařízeních AM, FM nebo TV.

Dalším příkladem praktického použití elektromagnetického stínění jsou obranné aplikace. Jak se technologie zlepšuje, zvyšuje se i náchylnost k různým druhům škodlivého elektromagnetického rušení. Myšlenka zapouzdření kabelu uvnitř uzemněné vodivé bariéry může poskytnout zmírnění těchto rizik. Viz stíněné kabely a elektromagnetické rušení .

Jak to funguje

Elektromagnetické záření se skládá ze spojených elektrických a magnetických polí. Elektrické pole vytváří síly na nosiče náboje (tj. Elektrony ) uvnitř vodiče. Jakmile je elektrické pole aplikováno na povrch ideálního vodiče, indukuje proud, který způsobí posunutí náboje uvnitř vodiče, který zruší aplikované pole uvnitř, na kterém místě se proud zastaví. Další vysvětlení najdete ve Faradayově kleci .

Podobně měnící se magnetické pole generuje vířivé proudy, které působí na zrušení aplikovaného magnetického pole. (Vodič nereaguje na statické magnetické pole, pokud se vodič nepohybuje vzhledem k magnetickému poli.) Výsledkem je, že elektromagnetické záření se odráží od povrchu vodiče: vnitřní pole zůstává uvnitř a vnější pole zůstává venku.

Několik faktorů slouží k omezení schopnosti stínění skutečných RF štítů. Jedním z nich je, že kvůli elektrickému odporu vodiče vzrušené pole zcela nezruší dopadající pole. Většina vodičů také vykazuje feromagnetickou odezvu na nízkofrekvenční magnetická pole, takže tato pole nejsou vodičem úplně zeslabena. Jakékoli otvory ve štítu nutí proudit kolem nich, takže pole procházející těmito otvory nevybuzují opačná elektromagnetická pole. Tyto efekty snižují schopnost štítu odrážet pole.

V případě vysokofrekvenčního elektromagnetického záření trvá výše uvedená úprava nezanedbatelnou dobu, avšak veškerá taková energie záření, pokud se neodráží, je absorbována pokožkou (pokud není extrémně tenká) , takže ani v tomto případě není uvnitř žádné elektromagnetické pole. Toto je jeden aspekt většího jevu zvaného efekt kůže . Míra hloubky, do které může záření proniknout štítem, je takzvaná hloubka kůže .

Magnetické stínění

Zařízení někdy vyžaduje izolaci od vnějších magnetických polí. Pro statické nebo pomalu se měnící magnetické pole (pod asi 100 kHz) je výše popsané Faradayovo stínění neúčinné. V těchto případech lze použít štíty vyrobené z kovových slitin s vysokou magnetickou permeabilitou , jako jsou plechy z permalloy a mu-metal nebo s feromagnetickými kovovými povlaky s nanokrystalickou strukturou zrna. Tyto materiály neblokují magnetické pole, jako u elektrického stínění, ale spíše přitahují pole do sebe a vytvářejí cestu pro čáry magnetického pole kolem stíněného objemu. Nejlepším tvarem pro magnetické štíty je tedy uzavřená nádoba obklopující stíněný objem. Účinnost tohoto typu stínění závisí na propustnosti materiálu, která obvykle klesá jak při velmi nízké intenzitě magnetického pole, tak při vysoké intenzitě pole, kde je materiál nasycen . Aby se dosáhlo nízkých zbytkových polí, magnetické štíty se často skládají z několika pouzder uvnitř sebe, z nichž každá postupně snižuje pole uvnitř.

Z důvodu výše uvedených omezení pasivního stínění je alternativou použitou u statických nebo nízkofrekvenčních polí aktivní stínění; pomocí pole vytvořeného elektromagnety zrušit okolní pole v objemu. Solenoidy a Helmholtzovy cívky jsou typy cívek, které lze pro tento účel použít.

Navíc, supravodivé materiály mohou vyhnat magnetická pole pomocí efektu Meissner .

Matematický model

Předpokládejme, že máme sférický plášť (lineárního a izotropního) diamagnetického materiálu s relativní propustností , s vnitřním poloměrem a vnějším poloměrem . Tento objekt pak umístíme do konstantního magnetického pole: ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}}}$ ${\ displaystyle a}$ ${\ displaystyle b}$

{\ displaystyle {\ vec {H}} _ {0} = H_ {0} {\ hat {z}} = H_ {0} \ cos \ theta {\ hat {r}} - H_ {0} \ sin \ theta {\ hat {\ theta}}}

Jelikož v tomto problému nejsou žádné proudy, kromě možných vázaných proudů na hranicích diamagnetického materiálu, můžeme definovat magnetický skalární potenciál, který splňuje Laplaceovu rovnici:

{\ displaystyle {\ begin {zarovnáno} {\ vec {H}} & = - \ nabla \ Phi _ {M} \\\ nabla ^ {2} \ Phi _ {M} & = 0 \ end {zarovnáno}} }

kde

{\ displaystyle {\ vec {B}} = \ mu _ {\ text {r}} {\ vec {H}}}

V tomto konkrétním problému existuje azimutální symetrie, takže můžeme napsat, že řešení Laplaceovy rovnice ve sférických souřadnicích je:

{\ displaystyle \ Phi _ {M} = \ součet _ {l = 0} ^ {\ infty} \ vlevo (A_ {l} r ^ {l} + {\ frac {B_ {l}} {r ^ {l +1}}} \ vpravo) P_ {l} (\ cos \ theta)}

Po splnění okrajových podmínek

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

na hranicích (kde je jednotkový vektor, který je kolmý k povrchu směřujícímu ze strany 1 na stranu 2), pak zjistíme, že magnetické pole uvnitř dutiny ve sférickém plášti je: ${\ displaystyle {\ hat {n}}}$

{\ displaystyle {\ vec {H}} _ {\ text {in}} = \ eta {\ vec {H}} _ {0}}

kde je koeficient útlumu, který závisí na tloušťce diamagnetického materiálu a magnetické permeabilitě materiálu: ${\ displaystyle \ eta}$

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

Tento koeficient popisuje účinnost tohoto materiálu při stínění vnějšího magnetického pole z dutiny, kterou obklopuje. Všimněte si, že tento koeficient přiměřeně jde na 1 (bez stínění) v limitu . V limitu, že tento koeficient jde na 0 (dokonalé stínění). Kdy , pak má útlumový koeficient jednodušší formu: ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} \ rightarrow 1}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} \ rightarrow \ infty}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}} >> 1}$