Форум химиков

Экранирование магнита.

Экранирование магнита.

Сообщение Artik » Вс июл 30, 2006 10:28 pm

Сообщение Artik » Вс июл 30, 2006 10:45 pm

Re: Экранирование магнита.

Сообщение avor » Пн июл 31, 2006 12:57 pm

Сообщение amik » Пн июл 31, 2006 1:53 pm

Сообщение Artik » Вт авг 01, 2006 7:55 am

Сообщение chemister » Вт авг 01, 2006 9:25 am

Сообщение Artik » Ср авг 02, 2006 10:56 am

Сообщение ИСН » Ср авг 02, 2006 1:04 pm

Сообщение avor » Ср авг 02, 2006 3:05 pm

—2. Диамагнетиками (напр. медь)
3. Сверхпроводниками

Дык, вот эти 2 не липнут, первые, правда, изолируют плохо.

Сообщение ИСН » Ср авг 02, 2006 8:40 pm

Сообщение Tokashi » Чт авг 03, 2006 3:55 pm

Сообщение Mendeleev » Вс авг 13, 2006 6:17 pm

Источник

Экранирование магнитного поля постоянного магнита, экранирование переменных магнитных полей

Практически, в целях научных исследований, в медицине, в геологии, в некоторых технических областях связанных с космосом и атомной энергетикой, часто экранируют очень слабые магнитные поля, индукция которых редко превышает 1 нТл.

Речь идет как о постоянных магнитных полях, так и о переменных магнитных полях широкого частотного диапазона. Индукция магнитного поля Земли, например, в среднем не превышает 50 мкТл, такое поле вместе с высокочастотными шумами проще ослабить путем магнитного экранирования.

Что же касается экранирования магнитных полей рассеяния в силовой электронике и электротехнике (постоянные магниты, трансформаторы, цепи высокого тока), то здесь бывает достаточно просто локализовать значительную часть магнитного поля, а не пытаться убрать его полностью. Ферромагнитный экран — для экранирования постоянных и низкочастотных магнитных полей

Первый и наиболее простой способ экранирования магнитного поля — применение ферромагнитного экрана (кожуха) в форме цилиндра, листа или сферы. Материал такого кожуха должен обладать высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.

Когда подобный экран помещается во внешнее магнитное поле, то магнитная индукция в ферромагнетике самого экрана оказывается сильнее чем внутри экранируемой области, где индукция получится соответственно меньше.

Рассмотрим пример с экраном в форме полого цилиндра.

На рисунке видно, что линии индукции внешнего магнитного поля, проникая в стенку ферромагнитного экрана, сгущаются внутри нее, а непосредственно в полости цилиндра линии индукции окажутся поэтому более разряженными. То есть внутри цилиндра магнитное поле останется минимальным. Для качественной реализации требуемого эффекта, применяют ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как пермаллой или мю-металл.

Кстати, простое утолщение стенки экрана — не лучший способ повысить его качество. Значительно эффективнее действуют многослойные ферромагнитные экраны с промежутками меду составляющими экран слоями, где коэффициент экранирования будет равен произведению коэффициентов экранирования для отдельных слоев — качество экранирования многослойного экрана будет лучше чем эффект от сплошного слоя толщиной равной сумме упомянутых слоев.

Медный экран — для экранирования переменных магнитных полей

Если требуется экранировать переменное магнитное поле, то применяют материалы с высокой электропроводностью, такие как медь.

В этом случае изменяющееся внешнее магнитное поле наведет в проводящем экране индукционные токи, которые охватят пространство защищаемого объема, причем направление магнитных полей этих индукционных токов в экране будет противоположно внешнему магнитному полю, защита от которого таким образом устраивается. Следовательно внешнее магнитное поле окажется частично скомпенсировано.

При этом чем выше частота токов — тем выше и коэффициент экранирования. Соответственно, для более низких частот, а тем более для постоянных магнитных полей, более всего подходят экраны ферромагнитные.

Применение сверхпроводящих экранов

Как известно, сверхпроводник способен полностью вытеснить из себя магнитное поле. Данное явление известно как эффект Мейснера. Согласно правилу Ленца, любое изменение магнитного поля в сверхпровднике порождает индукционные токи, которые своими магнитными полями компенсируют изменение магнитного поля в сверхпроводнике.

Если сравнить с обычным проводником, то в сверхпроводнике индукционные токи не затухают, и поэтому способны оказывать компенсирующее магнитное действие бесконечно (теоретически) долго.

Недостатками метода можно считать высокую его стоимость, наличие внутри экрана остаточного магнитного поля, которое было там до перехода материала в сверхпроводящее состояние, а также чувствительность сверхпроводника к температуре. При этом критическая магнитная индукция для сверхпроводников может достигать десятков тесла.

Активный компенсационный метод экранирования

Для уменьшения внешнего магнитного поля можно специально создать дополнительное магнитное поле, равное по величине, но противоположное по направлению внешнему магнитному полю, от которого необходимо экранировать определенную область.

Это достигается применением специальных компенсирующих катушек (катушек Гельмгольца) — пара одинаковых соосно расположенных катушек с током, которые разносятся на расстояние радиуса катушки. Между такими катушками получается достаточно однородное магнитное поле.

Чтобы добиться компенсации по всему объему заданной области пространства, нужно минимум шесть таких катушек (три пары), которые размещаются в соответствии с конкретной задачей.

Типичные применения такой компенсационной системы — защита от низкочастотных помех, порождаемых электрическими сетями (50 Гц), а также экранирование магнитного поля Земли.

Обычно системы данного типа работают совместно с датчиками магнитного поля. В отличие от магнитных экранов, уменьшающих магнитное поле вместе с шумами внутри всего объема ограниченного экраном, активная защита с применением компенсационных катушек позволяет устранить магнитные помехи лишь в локальной области, на которую она настроена.

Однако, независимо от конструкции системы защиты от магнитных помех, любая из них нуждается в антивибрационной защите, так как вибрация экрана и датчика способствует порождению самим вибрирующим экраном дополнительных магнитных помех.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Изолятор для магнита и экранирование магнитного поля

Как сделать так, чтобы два магнита, находящиеся рядом друг с другом, не чувствовали присутствие друг друга? Какой материал нужно разместить между ними, чтобы силовые линии магнитного поля от одного магнита не достигали бы второго магнита?

Этот вопрос не такой тривиальный, как может показаться на первый взгляд. Нам нужно по настоящему изолировать два магнита. То есть, чтобы эти два магнита можно было по разному поворачивать и по разному перемещать их относительно друг друга и тем не менее, чтобы каждый из этих магнитов вёл себя так, как будто бы другого магнита рядом нет. Поэтому всякие фокусы с размещением рядом третьего магнита или ферромагнетика, для создания какой-то особой конфигурации магнитных полей с компенсацией всех магнитных полей в какой-то одной отдельно взятой точке, принципиально не проходят.

Диамагнетик.

Иногда ошибочно думают, что таким изолятором магнитного поля может служить диамагнетик. Но это не верно. Диамагнетик действительно ослабляет магнитное поле. Но он ослабляет магнитное поле только в толще самого диамагнетика, внутри диамагнетика. Из-за этого многие ошибочно думают, что если один или оба магнита замуровать в куске диамагнетика, то, якобы, их притяжение или их отталкивание ослабеет.

Но это не является решением проблемы. Во-первых, силовые линии одного магнита всё равно будут достигать другого магнита, то есть магнитное поле только уменьшается в толще диамагнетика, но не исчезает совсем. Во-вторых, если магниты замурованы в толще диамагнетика, то мы не можем их двигать и поворачивать относительно друг друга.

А если сделать из диамагнетика просто плоский экран, то этот экран будет пропускать сквозь себя магнитное поле. Причем, за этим экраном магнитное поле будет точно такое же, как если бы этого диамагнитного экрана не было бы вообще.

Это говорит о том, что даже замурованные в диамагнетик магниты не испытают на себе ослабления магнитного поля друг друга. В самом деле, ведь там, где находится замурованный магнит, прямо в объеме этого магнита диамагнетик попросту отсутствует. А раз там, где находится замурованный магнит, отсутствует диамагнетик, то значит, оба замурованных магнита на самом деле взаимодействуют друг с другом точно также, как если бы они не были замурованы в диамагнетике. Диамагнетик вокруг этих магнитов также бесполезен, как и плоский диамагнитный экран между магнитами.

Идеальный диамагнетик

Нам нужен такой материал, который бы, вообще, не пропускал через себя силовые линии магнитного поля. Нужно чтобы силовые линии магнитного поля выталкивались из такого материала. Если силовые линии магнитного поля проходят через материал, то, за экраном из такого материала, они полностью восстанавливают всю свою силу. Это следует из закона сохранения магнитного потока.

В диамагнетике ослабление внешнего магнитного поля происходит за счет наведенного внутреннего магнитного поля. Это наведенное магнитное поле создают круговые токи электронов внутри атомов. При включении внешнего магнитного поля, электроны в атомах должны начать двигаться вокруг силовых линий внешнего магнитного поля. Это наведенное круговое движение электронов в атомах и создает дополнительное магнитное поле, которое всегда направлено против внешнего магнитного поля. Поэтому суммарное магнитное поле в толще диамагнетика становится меньше, чем снаружи.

Но полной компенсации внешнего поля за счет наведенного внутреннего поля не происходит. Не хватает силы кругового тока в атомах диамагнетика, чтобы создать точно такое же магнитное поле, как внешнее магнитное поле. Поэтому в толще диамагнетика остаются силовые линии внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле, как бы, «пробивает» материал диамагнетика насквозь.

Единственный материал, который выталкивает из себя силовые линии магнитного поля, это сверхпроводник. В сверхпроводнике внешнее магнитное поле наводит такие круговые токи вокруг силовых линий внешнего поля, которые создают противоположно направленное магнитное поле в точности равное внешнему магнитному полю. В этом смысле сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

На поверхности сверхпроводника вектор напряженности магнитного поля всегда направлен вдоль этой поверхности по касательной к поверхности сверхпроводящего тела. На поверхности сверхпроводника вектор магнитного поля не имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности сверхпроводника. Поэтому силовые линии магнитного поля всегда огибают сверхпроводящее тело любой формы.

Огибание сверхпроводника линиями магнитного поля

Но это совсем не означает, что если между двумя магнитами поставить сверхпроводящий экран, то он решит поставленную задачу. Дело в том, что силовые линии магнитного поля магнита пойдут к другому магниту в обход экрана из сверхпроводника. Поэтому от плоского сверхпроводящего экрана будет только ослабление влияния магнитов друг на друга.

Это ослабление взаимодействия двух магнитов будет зависеть от того, на сколько увеличилась длина силовой линии, которая соединяет два магнита друг с другом. Чем больше длины соединяющих силовых линий, тем меньше взаимодействие двух магнитов друг с другом.

Это точно такой же эффект, как если увеличивать расстояние между магнитами без всякого сверхпроводящего экрана. Если увеличивать расстояние между магнитами, то длины силовых линий магнитного поля тоже увеличиваются.

Значит, для увеличения длин силовых линий, которые соединяют два магнита в обход сверхпроводящего экрана, нужно увеличивать размеры этого плоского экрана и по длине и по ширине. Это приведет к увеличению длин обходящих силовых линий. И чем больше размеры плоского экрана по сравнению с рассстоянием между магнитами, тем взаимодействие между магнитами становится меньше.

Взаимодействие между магнитами полностью исчезает только тогда, когда оба размера плоского сверхпроводящего экрана становятся бесконечными. Это аналог той ситуации, когда магниты развели на бесконечно большое расстояние, и поэтому длина соединяющих их силовых линий магнитного поля стала бесконечной.

Теоретически, это, конечно, полностью решает поставленную задачу. Но на практике мы не можем сделать сверхпроводящий плоский экран бесконечных размеров. Хотелось бы иметь такое решение, которое можно осуществить на практике в лаборатории или на производстве. (Про бытовые условия речи уже не идет, так как в быту невозможно сделать сверхпроводник.)

Разделение пространства сверхпроводником

По другому, плоский экран бесконечно больших размеров можно интерпретировать как разделитель всего трехмерного пространства на две части, которые не соединены друг с другом. Но пространство на две части может разделить не только плоский экран бесконечных размеров. Любая замкнутая поверхность делит пространство тоже на две части, на объем внутри замкнутой поверхности и объем вне замкнутой поверхности. Например, любая сфера делит пространство на две части: шар внутри сферы и всё, что снаружи.

Поэтому сверхпроводящая сфера является идеальным изолятором магнитного поля. Если поместить магнит в такую сверхпроводящую сферу, то никогда никакими приборами не удается обнаружить, есть ли внутри этой сферы магнит или его там нет.

И, наоборот, если Вас поместить внутрь такой сферы, то на Вас не будут действовать внешние магнитные поля. Например, магнитное поле Земли невозможно будет обнаружить внутри такой сверхпроводящей сферы никакими приборами. Внутри такой сверхпроводящей сферы можно будет обнаружить только магнитное поле от тех магнитов, которые будут находиться тоже внутри этой сферы.

Таким образом, чтобы два магнита не взаимодействовали друг с другом надо один из этих магнитов поместить во внутрь сверхпроводящей сферы, а второй оставить снаружи. Тогда магнитное поле первого магнита будет полностью сконцентрировано внутри сферы и не выйдет за пределы этой сферы. Поэтому второй магнит не почувствует привутствие первого. Точно также магнитное поле второго магнита не сможет залезть во внутрь сверхпроводящей сферы. И поэтому первый магнит не почувствует близкое присутствие второго магнита.

Наконец, оба магнита мы можем как угодно поворачивать и перемещать друг относительно друга. Правда первый магнит ограничен в своих перемещениях радиусом сверхпроводящей сферы. Но это только так кажется. На самом деле взаимодействие двух магнитов зависит только лишь от их относительного расположения и их поворотов вокруг центра тяжести соответствующего магнита. Поэтому достаточно разместить центр тяжести первого магнита в центре сферы и туда же в центр сферы поместить начало координат. Все возможные варианты расположения магнитов будут определяться только всеми возможными вариантами расположения второго магнита относительно первого магнита и их углами поворотов вокруг их центров масс.

Разумеется вместо сферы можно взять любую другую форму поверхности, например, эллипсоид или поверхность в виде коробки и т.п. Лишь бы она делила пространство на две части. То есть в этой поверхности не должно быть дырочки, через которую может пролезть силовая линия, которая соединит внутренний и внешний магниты.

Источник

Часть 1.Тестирование материала для экранирования переменных магнитных полей

В настоящее время существует огромная проблема экранирования магнитных полей (МП), как постоянных, так и переменных. Ряд трансформаторных подстанций, щитовых, сильных постоянных магнитов, различных датчиков требуют экранирования специальными материалами.

Большинство экранирующих материалов (краска, ткань, сетка, пленка) не способны снижать МП даже на незначительную величину из-за другой природы формирования и распространения самого МП. Во многих источниках часто встречается информация о возможности применения ферритов, медных сплошных экранов, специальных аморфных и нанокристаллических сплавов, пермаллоев, но практически нигде не предоставляется информация о самих коэффициентах экранирования магнитных полей.

Сотрудники нашей компании решили на практике проверить свойства ряда материалов (применительно для использования на больших и малых объектах). Пермаллои не рассматриваем из-за снижения их магнитных свойств при механических деформациях. Ферриты применять на практике еще сложнее. Ориентировать нужным образом цилиндр или куб из меди в помещении крайне проблематично. Остаются материалы из аморфных и нанокристаллических сплавов.

Немного об аморфных сплавах. Данные материалы создаются методом быстрого охлаждения (путем распыления расплавленного металла на быстро вращающийся барабан-холодильник) и пропускания фазы кристаллизации материала, за счет чего твердое готовое вещество принимает структуру, очень похожую на лед. Для некоторых сплавов (уже отвердевших), для приобретения ими требуемых магнитных свойств, требуется дополнительная термическая обработка и/или перемагничивание.

В данной части пойдет речь об испытании на практике ряда изделий из аморфных и нанокристаллических сплавов в переменных и постоянных магнитных полях на уровнях от 500 нТл до 20 мкТл на ряде частот от 16 Гц до 300 кГц.

Скажем сразу, что мы не являемся профессорами и академиками в области изучения МП, но имеем хорошее представление о природе происхождения и распространения МП и делимся своими наработками в этой сфере.

Ряд производителей предоставляют готовые решения для экранирования переменных МП в виде рулонных материалов шириной 50-65 см в широком ценовом диапазоне. Их изделия имеют свои особенности, которые опишем ниже.

Нами был собран испытательный стенд, который имел в своем составе следующие узлы:

За счет изменения уровня выходного напряжения на источнике питания, мы получали различный уровень МП на катушке индуктивности. Генератором сигналов задавали необходимую несущую частоту. Осциллографом контролировали сформированный сигнал. Измерительный прибор помещался напротив сердечника катушки в экранированном коробе. При проведении измерений, тестируемый образец материала (1 и 2 слоя) одевался на короб, создавая преграду для прохождения силовых линий МП. Помимо этого, экранированию подлежал и сам источник.

В качестве испытуемых материалов были выбраны МАР 1К (Санкт-Петербург), MCL61 (Германия), ММР-50 (собственное производство). Вместе с МАР 1К мы испытаем исходное сырье, не прошедшее дополнительного отжига (скорее всего МАР 1К проходил дополнительную термическую обработку из-за чего стал очень хрупким) и сравним их характеристики. Так же сравним ММР-50 (не проходит дополнительную термическую обработку) и термообработанный материал и, по возможности, снимем видео обзор.

Муки выбора исходного сырья были очень долгими. С материалом было проведено много различных манипуляций (и температурная обработка, и перемагничивание, и т.д). В итоге сделан тестовый образец, который получил такую номенклатуру и проходит в настоящий момент испытания на предмет определения коэффициента ослабления переменных магнитных полей.

Основной задачей является максимальное подавление МП промышленной частоты (50 Гц) и основных гармоник (100, 150 Гц). Изделие собрано из лент аморфного сплава, имеющих толщину около 30 микрон. Максимальное ослабление достигается при полной изоляции (укрытии) защищаемого объекта или источника МП. Хочется отметить, что ММР-50 практически не работает в сильных полях, имеющих уровень свыше 300 мТл (за счет относительно низкого уровня индукции насыщения). Этим свойством обладают все наши вышеперечисленные аналоги. Для сведения: при решении большинства задач, уровень МП не превышает и 1 мТл.

Для максимально точного определения коэффициента экранирования будем проводить по 3 замера каждой контрольной точки и выводить усредненное значение по ним. Даже малейшая щель между экранированным коробом и образцом дает сильное падение коэффициента ослабления, поэтому и увеличиваем число измерений.

В следующей части обзора представлены графики на конкретных частотах тестирования. На графиках представлены зависимости коэффициента ослабления от уровня внешнего магнитного поля в пределах 500 нТл. 20 мкТл. В процессе дополнения данных, будем их размещать и делать по ним заметки.

Для начала приведем зависимость уровня магнитной индукции на частоте 50 Гц от расстояния до излучающей катушки (источника).

Из данного графика можно сделать вывод, что основным средством по уменьшению уровня МП является увеличение расстояния до источника.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Используемые материалы

Примеры приложений

Дверца микроволновой печи имеет встроенную в окно ширму. С точки зрения микроволн (с длиной волны 12 см) этот экран завершает клетку Фарадея, образованную металлическим корпусом печи. Видимый свет с длинами волн от 400 до 700 нм легко проходит через отверстия в экране.

НАТО определяет электромагнитное экранирование компьютеров и клавиатур, чтобы предотвратить пассивный мониторинг излучения клавиатуры, который позволил бы перехватить пароли; Потребительские клавиатуры не обеспечивают такой защиты в первую очередь из-за непомерно высокой стоимости.

РЧ-экранирование также используется для защиты медицинского и лабораторного оборудования для защиты от мешающих сигналов, включая AM, FM, телевидение, службы экстренной помощи, диспетчерскую, пейджеры, ESMR, сотовую связь и PCS. Его также можно использовать для защиты оборудования в диапазонах AM, FM или ТВ.

Как это работает

Точно так же изменяющиеся магнитные поля генерируют вихревые токи, которые нейтрализуют приложенное магнитное поле. (Проводник не реагирует на статические магнитные поля, если проводник не движется относительно магнитного поля.) В результате электромагнитное излучение отражается от поверхности проводника: внутренние поля остаются внутри, а внешние поля остаются снаружи.

Несколько факторов ограничивают экранирующую способность реальных радиочастотных экранов. Во-первых, 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 заставляют ток течь вокруг них, так что поля, проходящие через отверстия, не возбуждают противоположные электромагнитные поля. Эти эффекты снижают способность экрана отражать поле.

Магнитное экранирование

Математическая модель

Поскольку в этой задаче нет токов, за исключением возможных связанных токов на границах диамагнитного материала, мы можем определить магнитный скалярный потенциал, который удовлетворяет уравнению Лапласа:

B → знак равно μ р ЧАС → <\ displaystyle <\ vec > = \ mu _ <\ text > <\ vec >>

В этой конкретной задаче существует азимутальная симметрия, поэтому мы можем записать, что решение уравнения Лапласа в сферических координатах:

После согласования граничных условий

ЧАС → в знак равно η ЧАС → 0 <\ displaystyle <\ vec > _ <\ text > = \ eta <\ vec > _ <0>>

Источник