Gli schermi elettromagnetici sono ampiamente utilizzati nell'industria. Servono ad eliminare gli effetti dannosi di alcuni elementi di un dispositivo elettrico su altri, a proteggere il personale e le apparecchiature dagli effetti dei campi esterni che si verificano durante il funzionamento di altri dispositivi. L'"estinzione" del campo magnetico esterno è necessaria nella realizzazione di laboratori destinati alla regolazione e al collaudo di apparecchiature ad alta sensibilità. È richiesto anche in medicina e in quelle aree scientifiche in cui viene effettuata la misurazione di campi con induzione ultra bassa; per proteggere le informazioni durante la loro trasmissione via cavo.
Metodi
La schermatura del campo magnetico è un insieme di modi per ridurre la forza di un campo costante o alternato in una determinata area dello spazio. Un campo magnetico, a differenza di un campo elettrico, non può essere completamente indebolito.
Nell'industria, i campi vaganti di trasformatori, magneti permanenti, installazioni e circuiti ad alta corrente hanno il maggiore impatto ambientale. Possono interrompere completamente il normale funzionamento degli apparecchi vicini.
Più usati 2metodo di protezione:
- L'uso di schermi realizzati con materiali superconduttori o ferromagnetici. Questo è efficace in presenza di un campo magnetico costante o a bassa frequenza.
- Metodo di compensazione (smorzamento delle correnti parassite). Le correnti parassite sono correnti elettriche di massa che si verificano in un conduttore quando il flusso magnetico cambia. Questo metodo mostra i migliori risultati per i campi ad alta frequenza.
Principi
I principi di schermatura del campo magnetico si basano sui modelli di propagazione del campo magnetico nello spazio. Di conseguenza, per ciascuno dei metodi sopra elencati, sono i seguenti:
- Se si inserisce un induttore in un involucro di ferromagnete, le linee di induzione del campo magnetico esterno passeranno lungo le pareti dello schermo protettivo, poiché ha una resistenza magnetica minore rispetto allo spazio al suo interno. Anche le linee di forza indotte dalla bobina stessa saranno quasi tutte chiuse alle pareti dell'involucro. Per la migliore protezione in questo caso, è necessario scegliere materiali ferromagnetici che abbiano un'elevata permeabilità magnetica. In pratica, le leghe di ferro sono più spesso utilizzate. Per aumentare l'affidabilità dello schermo, è realizzato con pareti spesse o prefabbricato da più involucri. Gli svantaggi di questo design sono il suo peso elevato, l'ingombro e il deterioramento della schermatura in presenza di cuciture e tagli nelle pareti dell'involucro.
- Nel secondo metodo, l'indebolimento del campo magnetico esternosi verifica a seguito dell'imposizione di un altro campo su di esso, indotto da correnti parassite anulari. La sua direzione è opposta alle linee di induzione del primo campo. All'aumentare della frequenza, l'attenuazione sarà più pronunciata. In questo caso, per la schermatura vengono utilizzate piastre a forma di anello di conduttori a bassa resistività. Le scatole a forma di cilindro in rame o alluminio sono spesso usate come involucri dello schermo.
Caratteristiche principali
Ci sono 3 caratteristiche principali per descrivere il processo di schermatura:
- Profondità di penetrazione del campo magnetico equivalente. Quindi continuiamo. Questa cifra viene utilizzata per l'effetto schermante delle correnti parassite. Minore è il suo valore, maggiore è la corrente che scorre negli strati superficiali dell'involucro protettivo. Di conseguenza, maggiore è il campo magnetico da esso indotto, che sposta quello esterno. La profondità equivalente è determinata dalla formula seguente. In questa formula, ρ e Μr sono rispettivamente la resistività e la permeabilità magnetica relativa del materiale dello schermo (le unità di misura del primo valore sono Ohm∙m); f è la frequenza del campo, misurata in MHz.
- Efficienza schermante e - il rapporto tra l'intensità del campo magnetico nello spazio schermato in assenza e presenza della schermatura. Questo valore è tanto maggiore quanto maggiore è lo spessore dello schermo e la permeabilità magnetica del suo materiale. La permeabilità magnetica è un indicatore che caratterizza quante volte l'induzione in una sostanzadiverso da quello nel vuoto.
- Riduzione dell'intensità del campo magnetico e della densità delle correnti parassite a una profondità x dalla superficie dell'involucro protettivo. L'indicatore è calcolato utilizzando la formula seguente. Qui A0 è il valore sulla superficie dello schermo, x0 è la profondità alla quale l'intensità o la densità di corrente diminuisce e volte.
Progettazioni schermo
Le coperture protettive per la schermatura del campo magnetico possono essere realizzate in vari modelli:
- foglio e massiccio;
- sotto forma di tubi cavi e involucri a sezione cilindrica o rettangolare;
- monostrato e multistrato, con intercapedine d'aria.
Poiché il calcolo del numero di strati è piuttosto complicato, questo valore viene spesso scelto da libri di riferimento, secondo curve di efficienza di schermatura ottenute sperimentalmente. I tagli e le cuciture nelle scatole possono essere eseguiti solo lungo le linee delle correnti parassite. In caso contrario, l'effetto di schermatura sarà ridotto.
In pratica è difficile ottenere un elevato fattore di schermatura, in quanto è sempre necessario realizzare fori per l'ingresso dei cavi, la ventilazione e la manutenzione degli impianti. Per le bobine, gli involucri senza saldatura vengono realizzati utilizzando il metodo di estrusione del foglio e la parte inferiore dello schermo cilindrico funge da copertura rimovibile.
Inoltre, quando gli elementi strutturali vengono a contatto, si formano delle crepe dovute alle irregolarità della superficie. Per eliminarli, usamorsetti meccanici o guarnizioni in materiale conduttivo. Sono disponibili in diverse dimensioni e con diverse proprietà.
Le correnti parassite sono correnti che circolano molto meno, ma sono in grado di impedire la penetrazione di un campo magnetico attraverso lo schermo. In presenza di un numero elevato di fori nell'involucro, la diminuzione del coefficiente di schermatura avviene secondo una dipendenza logaritmica. Il suo valore più piccolo si osserva con buchi tecnologici di grandi dimensioni. Pertanto, si consiglia di progettare diversi piccoli fori anziché uno grande. Se è necessario utilizzare fori standardizzati (per l'ingresso dei cavi e altre esigenze), vengono utilizzate guide d'onda trascendentali.
In un campo magnetostatico creato da correnti elettriche dirette, il compito dello schermo è di deviare le linee di campo. L'elemento protettivo è installato il più vicino possibile alla sorgente. Non è richiesta la messa a terra. L'efficacia della schermatura dipende dalla permeabilità magnetica e dallo spessore del materiale della schermatura. Come questi ultimi vengono utilizzati acciai, permalloy e leghe magnetiche ad alta permeabilità magnetica.
La schermatura dei percorsi dei cavi viene eseguita principalmente con due metodi: utilizzando cavi con doppino intrecciato schermati o protetti e posando le guaine in scatole (o inserti) di alluminio.
Schermi superconduttivi
Il funzionamento degli schermi magnetici superconduttori si basa sull'effetto Meissner. Questo fenomeno consiste nel fatto che un corpo in un campo magnetico entra in uno stato superconduttore. Allo stesso tempo, il magneticola permeabilità dell'involucro diventa uguale a zero, cioè non passa il campo magnetico. È completamente compensato nel volume del corpo dato.
Il vantaggio di tali elementi è che sono molto più efficienti, la protezione da un campo magnetico esterno non dipende dalla frequenza e l'effetto di compensazione può durare per un tempo arbitrariamente lungo. Tuttavia, in pratica, l'effetto Meissner non è completo, poiché negli schermi reali realizzati con materiali superconduttori ci sono sempre disomogeneità strutturali che portano all'intrappolamento del flusso magnetico. Questo effetto rappresenta un serio problema per la realizzazione di involucri per schermare il campo magnetico. Il coefficiente di attenuazione del campo magnetico è tanto maggiore quanto maggiore è la purezza chimica del materiale. Negli esperimenti, la migliore prestazione è stata notata per il piombo.
Altri svantaggi dei materiali di schermatura del campo magnetico superconduttori sono:
- alto costo;
- presenza di campo magnetico residuo;
- comparsa dello stato di superconduttività solo a basse temperature;
- incapacità di funzionare in campi magnetici elevati.
Materiali
Molto spesso, gli schermi in acciaio al carbonio vengono utilizzati per la protezione da un campo magnetico, in quanto sono altamente adattabili per saldatura, brasatura, economici e caratterizzati da una buona resistenza alla corrosione. Oltre a questi, materiali come:
- foglio di alluminio tecnico;
- lega magnetica morbida di ferro, alluminio e silicio (alsifer);
- rame;
- vetro rivestito conduttivo;
- zinco;
- acciaio trasformatore;
- sm alti e vernici conduttivi;
- ottone;
- tessuti metallizzati.
Strutturalmente, possono essere realizzati sotto forma di fogli, reti e fogli. I materiali in fogli offrono una migliore protezione e i materiali in rete sono più comodi da assemblare: possono essere uniti tra loro mediante saldatura a punti con incrementi di 10-15 mm. Per garantire la resistenza alla corrosione, le griglie sono verniciate.
Raccomandazioni per la selezione del materiale
Quando si sceglie un materiale per schermi protettivi, vengono guidate le seguenti raccomandazioni:
- Nei campi deboli vengono utilizzate leghe ad alta permeabilità magnetica. Il più tecnologicamente avanzato è il permalloy, che si presta bene alla pressione e al taglio. L'intensità del campo magnetico richiesta per la sua completa smagnetizzazione, così come la resistività elettrica, dipendono principalmente dalla percentuale di nichel. Per la quantità di questo elemento si distinguono le permalloy a basso contenuto di nichel (fino al 50%) e ad alto contenuto di nichel (fino all'80%).
- Per ridurre le perdite di energia in un campo magnetico alternato, gli involucri sono posizionati da un buon conduttore o da un isolante.
- Per una frequenza di campo superiore a 10 MHz, rivestimenti in film d'argento o di rame con uno spessore di 0,1 mm o più (schermi in getinak rivestiti con pellicola e altri materiali isolanti), nonché rame, alluminio e ottone, dare un buon effetto. Per proteggere il rame dall'ossidazione, è rivestito con argento.
- Spessoremateriale dipende dalla frequenza f. Minore f, maggiore deve essere lo spessore per ottenere lo stesso effetto schermante. Alle alte frequenze, per la fabbricazione di involucri di qualsiasi materiale, è sufficiente uno spessore di 0,5-1,5 mm.
- Per i campi con f alta, i ferromagneti non vengono utilizzati, poiché hanno un'elevata resistenza e portano a grandi perdite di energia. Anche materiali altamente conduttivi diversi dall'acciaio non devono essere utilizzati per schermare campi magnetici permanenti.
- Per la protezione su un'ampia gamma f, i materiali multistrato (lamiere di acciaio con uno strato di metallo altamente conduttivo) sono la soluzione ottimale.
Le regole generali di selezione sono le seguenti:
- Le alte frequenze sono materiali altamente conduttivi.
- Le basse frequenze sono materiali ad alta permeabilità magnetica. Lo screening in questo caso è uno dei compiti più difficili, poiché rende il design dello schermo protettivo più pesante e complicato.
Nastri foil
I nastri schermanti a lamina vengono utilizzati per i seguenti scopi:
- Scherma le interferenze elettromagnetiche a banda larga. Molto spesso vengono utilizzati per porte e pareti di armadi elettrici con dispositivi, nonché per formare uno schermo attorno a singoli elementi (solenoidi, relè) e cavi.
- Rimozione della carica statica che si accumula sui dispositivi contenenti semiconduttori e tubi a raggi catodici, nonché nei dispositivi utilizzati per immettere/trasmettere informazioni dacomputer.
- Come componente dei circuiti di terra.
- Per ridurre l'interazione elettrostatica tra gli avvolgimenti del trasformatore.
Strutturalmente, si basano su un materiale adesivo conduttivo (resina acrilica) e un foglio (con una superficie ondulata o liscia) costituito dai seguenti tipi di metallo:
- alluminio;
- rame;
- rame stagnato (per la saldatura e una migliore protezione anticorrosione).
Materiali polimerici
In quei dispositivi dove, oltre alla schermatura del campo magnetico, è richiesta la protezione contro i danni meccanici e l'assorbimento degli urti, vengono utilizzati materiali polimerici. Sono realizzati sotto forma di cuscinetti in schiuma poliuretanica ricoperti da una pellicola di poliestere, a base di un adesivo acrilico.
Nella produzione di monitor a cristalli liquidi vengono utilizzate guarnizioni acriliche in tessuto conduttivo. Nello strato di adesivo acrilico è presente una matrice conduttiva tridimensionale composta da particelle conduttive. Grazie alla sua elasticità, questo materiale assorbe efficacemente anche le sollecitazioni meccaniche.
Metodo di compensazione
Il principio del metodo di schermatura di compensazione consiste nel creare artificialmente un campo magnetico diretto opposto al campo esterno. Questo di solito si ottiene con un sistema di bobine di Helmholtz. È costituito da 2 bobine sottili identiche poste coassialmente a una distanza del loro raggio. L'elettricità passa attraverso di loro. Il campo magnetico indotto dalle bobine è molto uniforme.
Lattina di protezioneprodotto anche dal plasma. Questo fenomeno viene preso in considerazione nella distribuzione del campo magnetico nello spazio.
Schermatura cavi
La protezione del campo magnetico è essenziale durante la posa dei cavi. Le correnti elettriche in esse indotte possono essere causate dall'inclusione di elettrodomestici nella stanza (condizionatori d'aria, lampade fluorescenti, telefoni), nonché dagli ascensori nelle miniere. Questi fattori hanno un'influenza particolarmente grande sui sistemi di comunicazione digitale che operano su protocolli con un'ampia banda di frequenza. Ciò è dovuto alla piccola differenza tra la potenza del segnale utile e il rumore nella parte superiore dello spettro. Inoltre, l'energia elettromagnetica emessa dai sistemi via cavo influisce negativamente sulla salute del personale che lavora nei locali.
Il cross-talk si verifica tra coppie di fili a causa della presenza di accoppiamento capacitivo e induttivo tra di loro. L'energia elettromagnetica dei cavi viene riflessa anche a causa delle disomogeneità della loro impedenza d'onda e viene indebolita sotto forma di perdite di calore. Come risultato dell'attenuazione, la potenza del segnale alla fine delle lunghe linee diminuisce centinaia di volte.
Attualmente, nell'industria elettrica vengono praticati 3 metodi di schermatura dei percorsi dei cavi:
- L'uso di scatole interamente in metallo (acciaio o alluminio) o l'installazione di inserti metallici in scatole di plastica. All'aumentare della frequenza del campo, la capacità di schermatura dell'alluminio diminuisce. Lo svantaggio è anche l' alto costo delle scatole. Per i cavi lunghi c'èil problema di garantire il contatto elettrico dei singoli elementi e la loro messa a terra per garantire il potenziale zero della scatola.
- Utilizzare cavi schermati. Questo metodo fornisce la massima protezione poiché la guaina circonda il cavo stesso.
- Deposizione sottovuoto di metallo sul canale in PVC. Questo metodo è inefficace a frequenze fino a 200 MHz. L'"estinzione" del campo magnetico è dieci volte inferiore rispetto alla posa del cavo in scatole di metallo a causa dell'elevata resistività.
Tipi di cavi
Ci sono 2 tipi di cavi schermati:
- Con uno schermo comune. Si trova attorno a conduttori intrecciati non protetti. Lo svantaggio di tali cavi è che c'è una grande diafonia (5-10 volte di più rispetto alle coppie schermate), specialmente tra le coppie con lo stesso passo di torsione.
- Cavi con doppini intrecciati schermati. Tutte le coppie sono schermate individualmente. A causa del loro costo più elevato, vengono spesso utilizzati in reti con requisiti di sicurezza rigorosi e in ambienti con un ambiente elettromagnetico difficile. L'uso di tali cavi in posa parallela consente di ridurre la distanza tra loro. Ciò riduce i costi rispetto all'instradamento suddiviso.
Il cavo schermato a doppino intrecciato è una coppia di conduttori isolati (il loro numero è generalmente compreso tra 2 e 8). Questo design riduce la diafonia.tra conduttori. Le coppie non schermate non hanno requisiti di messa a terra, hanno maggiore flessibilità, dimensioni trasversali più piccole e facilità di installazione. La coppia schermata fornisce protezione contro le interferenze elettromagnetiche e trasmissione dati di alta qualità sulle reti.
I sistemi informativi utilizzano anche una schermatura a due strati, che consiste nella protezione di doppini intrecciati sotto forma di nastro o lamina di plastica metallizzata e una comune treccia metallica. Per una protezione efficace contro il campo magnetico, tali sistemi di cavi devono essere adeguatamente collegati a terra.
