Экранирование электромагнитных полей: материалы и методы.

Введение

Использование проводящих или магнитных материалов для снижения интенсивности электромагнитного поля.

В электротехнике электромагнитная экранизация – это практика уменьшения или перенаправления электромагнитного поля (ЭМП) в определенном пространстве с помощью барьеров, изготовленных из проводящих или магнитных материалов. Обычно она применяется к корпусам для изоляции электрических устройств от окружающей среды и к кабелям для изоляции проводов от внешней среды, в которой проложен кабель. Электромагнитная экранизация, блокирующая радиочастотное (РЧ) электромагнитное излучение, также известна как РЧ-экранирование. Экранирование ЭМП служит для минимизации электромагнитных помех. Экранирование может уменьшить влияние радиоволн, электромагнитных и электростатических полей. Проводящий корпус, используемый для блокирования электростатических полей, также известен как клетка Фарадея. Степень уменьшения зависит от используемого материала, его толщины, размера экранируемого объема, частоты интересующих полей, а также от размера, формы и ориентации отверстий в экране по отношению к падающему электромагнитному полю.

Используемые материалы

Типичные материалы, используемые для электромагнитного экранирования, включают тонкие металлические слои, листовой металл, металлические сетки и металлическую пену. Распространенными листовыми металлами для экранирования являются медь, латунь, никель, серебро, сталь и олово. Эффективность экранирования, то есть способность экрана отражать или поглощать/подавлять электромагнитное излучение, зависит от физических свойств металла. К ним относятся проводимость, паяемость, магнитная проницаемость, толщина и вес. Свойства металла – важный фактор при выборе материала. Например, электрически доминирующие волны отражаются высокопроводящими металлами, такими как медь, серебро и латунь, а магнитно доминирующие волны поглощаются/подавляются менее проводящими металлами, такими как сталь или нержавеющая сталь. Кроме того, любые отверстия в экране или сетке должны быть значительно меньше длины волны излучения, которое необходимо блокировать, иначе корпус не будет эффективно приближаться к сплошной проводящей поверхности. Другой распространенный метод экранирования, особенно для электронных устройств в пластиковых корпусах, – это нанесение на внутреннюю поверхность корпуса металлической краски или аналогичного материала. Краска состоит из основы, содержащей подходящий металл, обычно медь или никель, в виде очень мелких частиц. Она распыляется на корпус и после высыхания образует непрерывный проводящий слой металла, который можно электрически соединить с землей шасси оборудования, обеспечивая тем самым эффективное экранирование. Электромагнитное экранирование – это процесс снижения электромагнитного поля в определенной области путем ограждения его проводящими или магнитными материалами. Медь используется для радиочастотного (RF) экранирования, поскольку она поглощает радио- и другие электромагнитные волны. Правильно спроектированные и изготовленные RF-экранирующие корпуса удовлетворяют большинству потребностей в RF-экранировании, от компьютерных и электротехнических помещений до томографических и магнитно-резонансных отделений больниц. Экранирование от электромагнитных помех (EMI) представляет большой научный интерес, и разрабатываются новые типы нанокомпозитов на основе ферритов, полимеров и 2D-материалов для получения более эффективных материалов, поглощающих радиочастотные/микроволновые волны (MAM). EMI-экранирование часто достигается с помощью беэлектролитического нанесения медного покрытия, поскольку большинство распространенных пластмасс непроводящие, или с помощью специальной проводящей краски. НАТО устанавливает требования к электромагнитному экранированию компьютеров и клавиатур для предотвращения пассивного перехвата излучения клавиатуры, которое может позволить захватить пароли; потребительские клавиатуры не обеспечивают такую защиту в основном из-за высокой стоимости. RF-экранирование также используется для защиты медицинского и лабораторного оборудования от помех, включая сигналы AM, FM, ТВ, экстренных служб, диспетчерских служб, пейджеров, ESMR, сотовой связи и PCS. Оно также может использоваться для защиты оборудования на AM, FM или телевизионных вещательных станциях. Другой пример практического применения электромагнитного экранирования – это оборонные приложения. По мере развития технологий возрастает и восприимчивость к различным видам злонамеренных электромагнитных помех. Идея заключения кабеля в заземленный проводящий барьер может снизить эти риски.

Typical materials used for electromagnetic shielding include thin layer of metal, sheet metal, metal screen, and metal foam. Common sheet metals for shielding include copper, brass, nickel, silver, steel, and tin. Shielding effectiveness, that is, how well a shield reflects or absorbs/suppresses electromagnetic radiation, is affected by the physical properties of the metal. These may include conductivity, solderability, permeability, thickness, and weight. A metal's properties are an important consideration in material selection. For example, electrically dominant waves are reflected by highly conductive metals like copper, silver, and brass, while magnetically dominant waves are absorbed/suppressed by a less conductive metal such as steel or stainless steel. Further, any holes in the shield or mesh must be significantly smaller than the wavelength of the radiation that is being kept out, or the enclosure will not effectively approximate an unbroken conducting surface. Another commonly used shielding method, especially with electronic goods housed in plastic enclosures, is to coat the inside of the enclosure with a metallic ink or similar material. The ink consists of a carrier material loaded with a suitable metal, typically copper or nickel, in the form of very small particulates. It is sprayed on to the enclosure and, once dry, produces a continuous conductive layer of metal, which can be electrically connected to the chassis ground of the equipment, thus providing effective shielding. Electromagnetic shielding is the process of lowering the electromagnetic field in an area by barricading it with conductive or magnetic material. Copper is used for radio frequency (RF) shielding because it absorbs radio and other electromagnetic waves. Properly designed and constructed RF shielding enclosures satisfy most RF shielding needs, from computer and electrical switching rooms to hospital CAT scan and MRI facilities. EMI (Electromagnetic Interference) shielding is of great research interest and several new types of nanocomposites made of ferrites, polymers, and 2D materials are being developed to obtain more efficient RF/microwave absorbing materials (MAMs). EMI shielding is often achieved by electroless plating of copper as most popular plastics are non conductive or by special conductive paint. NATO specifies electromagnetic shielding for computers and keyboards to prevent passive monitoring of keyboard emissions that would allow passwords to be captured; consumer keyboards do not offer this protection primarily because of the prohibitive cost. RF shielding is also used to protect medical and laboratory equipment to provide protection against interfering signals, including AM, FM, TV, emergency services, dispatch, pagers, ESMR, cellular, and PCS. It can also be used to protect the equipment at the AM, FM or TV broadcast facilities. Another example of the practical use of electromagnetic shielding would be defense applications. As technology improves, so does the susceptibility to various types of nefarious electromagnetic interference. The idea of encasing a cable inside a grounded conductive barrier can provide mitigation to these risks.

Как это работает

Электромагнитное излучение состоит из связанных электрических и магнитных полей. Электрическое поле оказывает воздействие на носители заряда (то есть, электроны) внутри проводника. Как только электрическое поле приложено к поверхности идеального проводника, оно индуцирует ток, вызывающий перемещение заряда внутри проводника, которое компенсирует приложенное поле внутри, в результате чего ток прекращается. Подробнее см. в статье «Клетка Фарадея». Аналогично, изменяющиеся магнитные поля генерируют вихревые токи, которые стремятся компенсировать приложенное магнитное поле. (Проводник не реагирует на статические магнитные поля, если только проводник не движется относительно магнитного поля.) В результате электромагнитное излучение отражается от поверхности проводника: внутренние поля остаются внутри, а внешние – снаружи. Ряд факторов ограничивают экранирующую способность реальных радиочастотных экранов. Один из них заключается в том, что из-за электрического сопротивления проводника возбужденное поле не полностью компенсирует падающее поле. Кроме того, большинство проводников проявляют ферромагнитный отклик на низкочастотные магнитные поля, поэтому такие поля не полностью ослабляются проводником. Любые отверстия в экране вынуждают ток обтекать их, в результате чего поля, проходящие через отверстия, не создают встречные электромагнитные поля. Эти эффекты снижают отражающую способность экрана. В случае высокочастотного электромагнитного излучения вышеупомянутые процессы требуют определенного времени, однако любая энергия излучения, которая не отражается, поглощается кожей (если она не слишком тонкая), поэтому в этом случае внутри также отсутствует электромагнитное поле. Это один из аспектов более широкого явления, называемого скин-эффектом. Мерой глубины проникновения излучения в экран является так называемая глубина проникновения.

Магнитная экранизация

Иногда оборудованию требуется изоляция от внешних магнитных полей. Для статических или медленно изменяющихся магнитных полей (ниже примерно 100 кГц) экранирование Фарадея, описанное выше, неэффективно. В этих случаях могут использоваться экраны из металлов с высокой магнитной проницаемостью, таких как листы из пермаллоя и му-метала или ферромагнитные металлические покрытия с нанокристаллической структурой зерна. Эти материалы не блокируют магнитное поле, как при электрической экранизации, а скорее поглощают его, обеспечивая путь для линий магнитного поля вокруг экранируемого объема. Поэтому оптимальная форма для магнитных экранов – это замкнутый контейнер, окружающий экранируемый объем. Эффективность такого экранирования зависит от проницаемости материала, которая обычно снижается как при очень низких, так и при высоких напряжённостях магнитного поля, когда материал насыщается. Следовательно, для достижения низких остаточных полей магнитные экраны часто состоят из нескольких оболочек, одна внутри другой, каждая из которых последовательно уменьшает поле внутри себя. Отверстия в экранирующих поверхностях могут существенно ухудшить их характеристики. Из-за вышеуказанных ограничений пассивного экранирования, альтернативой для статических или низкочастотных полей является активное экранирование, в котором поле, создаваемое электромагнитами, компенсирует внешнее поле внутри заданного объема. Для этой цели могут использоваться соленоиды и катушки Гельмгольца, а также более сложные схемы обмоток, разработанные с использованием методов, адаптированных из тех, что применяются при проектировании катушек для магнитно-резонансной томографии. Активные экраны также могут быть спроектированы с учетом электромагнитной связи с пассивными экранами, что называется гибридным экранированием, обеспечивая широкополосное экранирование от пассивного экрана и дополнительную компенсацию определенных компонент с помощью активной системы. Кроме того, сверхпроводящие материалы способны выталкивать магнитные поля благодаря эффекту Мейснера.