Екраниране на магнитно поле с постоянен магнит, екраниране на променливо магнитно поле

За да намалите силата на магнитното поле на постоянен магнит или нискочестотно променливо магнитно поле с променливи токове в определена област на пространството, използвайте магнитно екраниране… В сравнение с електрическо поле, което е доста лесно защитено от приложението Клетки на Фарадей, магнитното поле не може да бъде напълно скринирано, може само да бъде отслабено до известна степен на определено място.

На практика, за целите на научните изследвания, в медицината, в геологията, в някои технически области, свързани с космоса и ядрената енергия, много слабите магнитни полета често са екранирани, индукция което рядко надвишава 1 nT.

Говорим както за постоянни магнитни полета, така и за променливи магнитни полета в широк честотен диапазон. Индукцията на магнитното поле на Земята например не надвишава 50 μT средно; такова поле, заедно с високочестотния шум, е по-лесно да се отслаби чрез магнитно екраниране.

Що се отнася до екранирането на разсеяните магнитни полета в силовата електроника и електротехниката (постоянни магнити, трансформатори, вериги с голям ток), често е достатъчно просто да се локализира значителна част от магнитното поле, а не да се опитва да го премахне напълно. Феромагнитен щит — за екраниране на постоянни и нискочестотни магнитни полета

Първият и най -лесен начин за защита на магнитното поле е използването на феромагнитен щит (корпус) под формата на цилиндър, лист или сфера. Материалът на такава обвивка трябва да има висока магнитна пропускливост и ниска принудителна сила.

Когато такъв екран е поставен във външно магнитно поле, магнитната индукция във феромагнетика на самия екран се оказва по -силна, отколкото вътре в екранираната зона, където индукцията ще бъде съответно по -ниска.

Нека разгледаме пример с екран под формата на кух цилиндър.

Фигурата показва, че индукционните линии на външното магнитно поле, проникващи в стената на феромагнитния екран, се удебеляват вътре в него и директно в кухината на цилиндъра, следователно индукционните линии ще бъдат по -разредени. Тоест магнитното поле вътре в цилиндъра ще остане минимално. За висококачественото изпълнение на необходимия ефект се използват феромагнитни материали с висока магнитна пропускливост, като напр. пермалоид или му-метал.

Между другото, просто удебеляването на стената на екрана не е най -добрият начин да се подобри качеството му. Много по -ефективни са многослойните феромагнитни екрани с пролуки между слоевете, съставляващи щита, където коефициентът на екраниране ще бъде равен на произведението на коефициентите на екраниране за отделните слоеве — качеството на екраниране на многослоен щит ще бъде по -добро от ефекта на непрекъснат слой с дебелина, равна на сумата от горните слоеве.

Благодарение на многослойните феромагнитни екрани е възможно да се създадат магнитно екранирани помещения за различни изследвания. Външните слоеве на такива екрани са направени в този случай от феромагнетици, които се насищат при високи стойности на индукция, докато вътрешните им слоеве са от mu метал, пермалоид, метглас и т.н. — от феромагнетици, които наситени при по -ниски стойности на магнитна индукция.

Меден щит — за екраниране на променливи магнитни полета

Ако е необходимо да се екранира променливо магнитно поле, тогава се използват материали с висока електрическа проводимост, като напр мед.

В този случай променящото се външно магнитно поле ще индуцира индукционни токове в проводящия екран, който ще покрие пространството на защитения обем, а посоката на магнитните полета на тези индукционни токове в екрана ще бъде противоположна на външното магнитно поле , защитата от която по този начин е подредена. Следователно външното магнитно поле ще бъде частично компенсирано.

Освен това, колкото по -висока е честотата на токовете, толкова по -висок е коефициентът на екраниране. Съответно, за по -ниски честоти и още повече за постоянни магнитни полета, феромагнитните екрани са най -подходящи.

Коефициентът на пресяване K, в зависимост от честотата на променливото магнитно поле f, големината на екрана L, проводимостта на ситовия материал и дебелината му d, може приблизително да се намери по формулата:

Приложение на свръхпроводящи екрани

Както знаете, свръхпроводникът е в състояние напълно да измести магнитното поле от себе си. Това явление е известно като Ефект на Майснер… Според правилото на Ленц, всяка промяна в магнитното поле в свръхпроводника генерира индукционни токове, които със своите магнитни полета компенсират промяната в магнитното поле в свръхпроводника.

Ако го сравним с обикновен проводник, тогава в свръхпроводник индукционните токове не отслабват и следователно са в състояние да упражняват компенсиращ магнитен ефект за безкрайно (теоретично) дълго време.

Недостатъците на метода могат да се считат за неговата висока цена, наличието на остатъчно магнитно поле вътре в екрана, което е било там преди преминаването на материала в свръхпроводящо състояние, както и чувствителността на свръхпроводника към температурата. В този случай критичната магнитна индукция за свръхпроводници може да достигне десетки тесла.

Метод на екраниране с активна компенсация

За да се намали външното магнитно поле, може специално да се създаде допълнително магнитно поле, равно по величина, но противоположно по посока на външното магнитно поле, от което трябва да бъде екранирана определена област.

Това се постига чрез прилагане специални компенсиращи бобини (намотки на Хелмхолц) — двойка идентични коаксиално разположени намотки с ток, които са разделени от разстояние на радиуса на бобината. Между такива намотки се получава доста равномерно магнитно поле.

За да постигнете компенсация за целия обем на дадена площ, имате нужда от поне шест такива намотки (три двойки), които са поставени в съответствие с конкретна задача.

Типичните приложения за такава компенсационна система са защита срещу нискочестотни смущения, генерирани от електрически мрежи (50 Hz), както и екраниране на земното магнитно поле.

Обикновено системите от този тип работят съвместно със сензори за магнитно поле. За разлика от магнитните екрани, които намаляват магнитното поле заедно с шума в целия обем, ограничен от щита, активната защита, използваща компенсационни бобини, позволява да се премахнат магнитните смущения само в локалната област, към която е настроен.

Независимо от конструкцията на системата за защита от магнитни смущения, всеки от тях се нуждае от защита срещу вибрации, тъй като вибрациите на екрана и сензора допринасят за генерирането на допълнителни магнитни смущения от самия вибриращ екран.