XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Актуальность

Принцип действия большинства средств измерений основан на преобразовании электрической и магнитной энергий. Однако под воздействием интенсивных внешних полей наблюдаются сбои в работе электроники. Такие поля создают помехи, из-за которых могут выйти из строя полупроводниковые элементы и микросхемы. Интенсивное излучение также позволяет получить несанкционированный доступ к различной информации: с его помощью можно задействовать специальные дистанционные устройства, которые считывают данные с любых электронных гаджетов, к примеру, с компьютера или телефона. Чтобы предотвратить нежелательные сбои в работе электроники и измерительной техники, а также защитить конфиденциальную информацию, необходимо создать преграду внешнему полю (электромагнитному, магнитостатическому, электростатическому или всем полям одновременно). Такую преграду создает экран с высокой магнитной или электрической проводимостью, оборудованный вокруг защищаемого пространства [1-7]. Сейчас, в цифровой век, как никогда, необходимо обеспечивать бесперебойную работу электроники и измерительных устройств, а также обеспечивать сохранность информации.

Исходя из вышесказанного, знание о магнитных экранах и о принципах экранирования необходимо для студентов, обучающихся по направлениям 12.03.01 - Приборостроение и 11.03.04 - Электроника и наноэлектроника и ряда других направлений.

Цель работы

Определить области эффективного применения экранов из различных материалов.

Оборудование, приборы и инструменты

Структурная схема комплекса для исследования эффективности применения различных материалов в качестве магнитных экранов представлена на рис.1. Одним из основных элементов комплекса является установка, включающая в свой состав катушку 1 на немагнитном каркасе 2 (соленоид) и немагнитное основание 3. Для оценки электромагнитного поля в центральной части соленоида размещена измерительная катушка 4. На основании 3 размещены клеммные гнезда 5 катушки возбуждения 1 и клеммные кгнезда 6 измерительной катушки 4. Для создания электромагнитного поля применяется генератор сигналов специальной формы 8. Оценка сигнала с измерительной катушки 4 осуществляется осциллографом 10 и милливольтметром 11. Образцы экранов (рис.2) изготовлены из различных материалов в форме стакана разной толщины. Материал и толщина стенки соответствующего образца экрана приведены в табл. 1. Общий вид комплекса представлен на рис.3.

Рис. 1. Комплекс для исследования материалов для магнитных экранов

Рис. 2. Образцы экранов

Рис.3. Общий вид комплекса для исследования эффективности экранирования электромагнитного поля

Методика исследования

С помощью катушки возбуждения 1 (рис.1) создается электромагнитное поле. Измерительная катушка 4 подключается к осциллографу 10 и (или) милливольтметру 11. Вначале измеряется напряжение U на измерительной катушке без экранов. Затем на катушку поочередно надеваются образцы экранов 9 из разных материалов, и с помощью осциллографа (милливольтметра) снимается напряжение U' на измерительной катушке. Чем меньше напряжение U' на измерительной катушке после установки на неё образца, тем эффективнее материал выполняет функцию экрана.

Для выявления эффективности экранов из сочетания различных материалов проведены измерения для комбинации нескольких образцов: пермаллой-медь (комбинация К₁образцов 4 и 9); латунь-пермаллой-алюминий (комбинация К₂ образцов 8, 4 и 6); латунь-сталь (комбинация К₃ образцов 8 и 1).

Измерения проводились на частотах: 100 Гц, 10³ Гц, 10⁴ Гц, 10⁵ Гц. Результаты заносены в таблицу 1. Для удобства проведения анализа результатов исследования построены графики (рис. 4) зависимости эффективности экранирования различными материалами от частоты.

Результаты эксперимента

Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований

№ образца	Материал экрана	Напряжение на измерительной катушке без экранов U=100 mV
		Толщина стенки,	100 Гц	1000 Гц	10 к Гц	100 кГц
		мм	U	U	U	U
1	Сталь	1,4	20,2	19,1	30,1	30,4
2	Сталь	2,4	12,2	18,4	28,2	27,3
3	Сталь	5.1	6,65	11,1	19,2	22,6
4	Пермаллой	0,7	53,0	56,3	26,5	25,9
5	Алюминий	0.5	97,5	74,9	20,8	20,0
6	Алюминий	0.5	98,6	79,1	31,7	23,7
7	Алюминий	1.7	95,7	45,3	17,4	22,4
8	Латунь	0,7	99,3	89,1	31,6	32,5
9	Медь (фольга)	0,2	99,7	93,6	35,4	21,7
10	Пермаллой однослойный неотожженный	0,2	81,2	84,2	84,2	36,9
11	Пермаллой однослойный неотожженный	0,4	75,1	76,4	69,6	20,5
12	Медь 99,99%	1,5	96,3	44,2	23,9	31,7
13	Медь 99,99% с крышкой	1,5	96,8	43,1	24,5	29,8
14	Медь 99,99% перфорация	1,5	97,4	45,7	24,0	30,0
15	Медь 99,99% перфорация с крышкой	1,5	97,5	44,9	23,9	23,5
Комбинация К1 (4+9)			53,1	46,9	19,4	24,4
Комбинация К2 (6+4+8)			52,6	29,1	15,5	25,4
Комбинация К3 (8+1)			21,3	15,5	15,8	22,1

Где U - напряжение на измерительной катушке с использованием экранов из различных материалов на разной частоте.

 

Рис.4. Графики зависимости эффективности экранирования Э образцов экранов от частоты

Рис.5. Графики зависимости эффективности экранирования Э образцов из комбинаций материалов

Анализ результатов исследования

В результате анализа результатов исследования установлено:

Образцы из стали (1,2) и пермаллоя существенно превосходят образцы из алюминия (5,6,7), латуни 8 меди 9, 12,13,14,15 по эффективности экранирования в диапазоне частот от единиц до 1000 Гц. Их эффективнее использовать в качестве магнитостатических экранов. Но и на частотах 0т 1 кГц до 100 кГц они мало уступают по эффективности образцам из алюминия и меди. Стали и сплавы на основе железа наряду с высокой магнитной проницаемостью обладают и электропроводностью. Благодаря чему они более универсальны.

Эффективность экранирования стальных образцов увеличивается с увеличением толщины стенки экрана (Э₃>Э₂>Э₁).

Наличие перфорации (отверстий) в стенках экранов 14 и 15 незначительно снижает эффективность, но при этом обеспечивает лучший тепловой режим экранируемого устройства (компонента) за счёт конвекции воздуха.

Образцы из неотожженного премаллоя теряют эффективность при экранировании постоянных магнитных полей. Пермаллой очень чувствителен к механическим воздействиям (ударам, обработке резанием). Поэтому для восстановления магнитных свойств необходима термическая обработка (отжиг). В процессе эксплуатации для сохранения магнитных свойств экраны должны быть защищены от ударов с помощью, например, резиновых прокладок между экраном и корпусом.

Наибольшей эффективностью в рассматриваемом диапазоне частот обладает комбинация образца из стали 1 и латуни 8.

Выводы:

В ходе проделанной работы были изучены физические принципы защиты приборов от влияния внешних магнитных полей, характеристики материалов и сплавов для магнитных экранов. Экспериментальным путем были определены области эффективного использования различных материалов и влияние толщины стенки на эффективность экранирования.

Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толщине экрана, имеющего повышенную магнитную проницаемость. Материал экрана должен обладать магнитной проницаемостью значительно больше магнитной проницаемости окружающей среды. Эффективность такого экрана тем больше, чем больше его магнитная проницаемость и толщина. Поэтому для магнитостатического экранирования подходят сталь и пермаллой различной толщины.

Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхности металлической массы экрана и передаче электрических зарядов на корпус устройства. Индуцированные заряды располагаются на внешней поверхности экрана так, что электрическое поле внутри экрана равно нулю. Следовательно, электрическое поле может быть надежно экранировано даже очень тонким слоем металла. При экранировании элементов изделия магнитостатическими и электромагнитными экранами следует учитывать, что они будут эффективны и как электростатические экраны, если их надежно соединить с корпусом устройства.

Электромагнитное экранирование основано на взаимодействии переменного магнитного поля с полем, созданным вихревыми токами, наведенными первым в толще и на поверхности токопроводящего материала экрана. Экранирование полей высокочастотного диапазона основано на отражении и поглощении электромагнитной волны при переходе из одной среды в другую. Электромагнитная волна, взаимодействуя с экраном, частично отражается его поверхностью, частично поглощается материалом экрана. Эти процессы приводят к потере энергии, ослаблению и затуханию волны. Для экранирования высокочастотных полей основное требование – высокая электропроводность материала экрана и отсутствие отверстий, щелей, плохого контакта элементов экрана, которые пропускали бы излучение. При выполнении этих условий электромагнитное экранирование будет эффективно в полях высоких частот.

Список литературы

Гормаков А.Н., Мартемьянов В.М. Материалы для магнитных экранов: методическое пособие. – Томск: изд-во ТПУ, 2005. – 16с. URL:https://www.studmed.ru/gormakov-an-martemyanov-vm-materialy-dlya-magnitnyh-ekranov_6507076cdfe.html (дата обращения 6.01.2020).

Евстафьев В. В., Енгибарян И. А., Сахаров И. А. Основы конструирования и технологии производства РЭС: учеб. пособие по дисциплине «Основы конструирования и технологии производства РЭС» / В.В. Евстафьев, И.А. Енгибарян, И.А. Сахаров. ‒ М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2016. – 92 с.

Дрейзин В.Э. Управление качеством электронных средств: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / В.Э. Дрейзин, А.В. Когура. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 288с.

Конструирование узлов и устройств электронных средств: учебное пособие. Д.Ю. Муромцев, И.В. Тюрин, О.А. Белоусов. – Ростов н/Д: Феникс 2013, 540 с.

Тогузбаева Ж.С. Определение уровня напряженности магнитных и электрических полей в рабочей зоне пользователя ЭВМ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://scienceforum.ru/2019/article/2018016688(дата обращения 6.01.2020).

SabuThomas, AjayRaneV., Maciej Jaroszewski. Advanced Materials for Electromagnetic Shielding.Fundamentals, Properties, and Applications. – 2018. – 459 с.

Shi, D., Y. Gao, and Y. Shen, “Determination of shielding effectiveness of multilayer shield by making use of transmission line theory,” IEEE 7th Inter. Symp. EMC and EM Ecolo., 26–29, 2007.

Код для цитирования: Скопировать