Permanent magnetisk magnetfältsskärmning, alternerande magnetfältsskärmning

För att minska magnetfältstyrkan hos en permanentmagnet eller ett lågfrekvent växelmagnetfält med växelströmmar i ett visst område i rymden, använd magnetisk skärmning… Jämfört med ett elektriskt fält, som ganska enkelt skärmas av applikationen Faraday-celler, magnetfältet kan inte avskärmas helt, det kan bara försvagas till viss del på en viss plats.

I praktiken, för vetenskaplig forskning, inom medicin, inom geologi, inom vissa tekniska områden relaterade till rymd- och kärnenergi, är mycket svaga magnetfält ofta avskärmade, induktion som sällan överstiger 1 nT.

Vi talar om både permanenta magnetiska fält och variabla magnetfält över ett brett frekvensområde. Jordens magnetfältsinduktion överstiger till exempel inte 50 μT i genomsnitt; ett sådant fält, tillsammans med högfrekvent brus, är lättare att dämpa genom magnetisk avskärmning.

När det gäller att skärma av strömagnetiska fält inom kraftelektronik och elektroteknik (permanentmagneter, transformatorer, högströmskretsar) räcker det ofta med att helt enkelt lokalisera en betydande del av magnetfältet istället för att försöka eliminera det helt. Ferromagnetisk skärm — för avskärmning av permanenta och lågfrekventa magnetfält

Det första och enklaste sättet att skydda magnetfältet är användningen av en ferromagnetisk skärm (kropp) i form av en cylinder, plåt eller sfär. Materialet i ett sådant skal måste ha hög magnetisk permeabilitet och låg tvångskraft.

När en sådan skärm placeras i ett externt magnetfält visar sig den magnetiska induktionen i själva sköldens ferromagnet vara starkare än inne i det skärmade området, där induktionen blir motsvarande lägre.

Låt oss överväga ett exempel på en skärm i form av en ihålig cylinder.

Figuren visar att induktionslinjerna för det externa magnetfältet som penetrerar väggen på den ferromagnetiska skärmen är förtjockade inuti den och direkt i cylinderkaviteten, därför kommer induktionsledningarna att bli mer sällsynta. Det vill säga att magnetfältet inuti cylindern förblir minimalt. För högkvalitativ prestanda av den önskade effekten används ferromagnetiska material med hög magnetisk permeabilitet, som t.ex. permaloid eller mu-metall.

Förresten, att bara förtjocka skärmens vägg är inte det bästa sättet att förbättra dess kvalitet.Mycket effektivare är flerskiktiga ferromagnetiska skärmar med mellanrum mellan skikten som bildar skölden, där skärmningskoefficienten kommer att vara lika med produkten av skärmningskoefficienterna för de enskilda skikten — skärmningskvaliteten för en flerskiktsskärm blir bättre än effekten av ett kontinuerligt skikt med tjocklek lika med summan av de övre skikten.

Tack vare de flerskiktiga ferromagnetiska skärmarna är det möjligt att skapa magnetiskt skärmade rum för olika studier. De yttre skikten av sådana skärmar är gjorda i detta fall av ferromagneter, som mättas vid höga induktionsvärden, medan deras inre skikt är av mu-metall, permaloid, metglas, etc. — från ferromagneter som mättas vid lägre värden av magnetisk induktion.

Kopparskärm — för att skärma av växlande magnetfält

Om det är nödvändigt att skärma ett växelmagnetfält används material med hög elektrisk ledningsförmåga, som t.ex. honung.

I detta fall kommer det förändrade externa magnetfältet att inducera induktionsströmmar i den ledande skärmen, som kommer att täcka utrymmet för den skyddade volymen, och riktningen för magnetfälten för dessa induktionsströmmar i skärmen kommer att vara motsatt det externa magnetfältet , vars skydd sålunda är anordnat. Därför kommer det externa magnetfältet att delvis kompenseras.

Dessutom, ju högre frekvens strömmarna har, desto högre skärmningskoefficient. Följaktligen är ferromagnetiska skärmar mest lämpliga för lägre frekvenser och ännu mer för konstanta magnetfält.

Siktkoefficienten K, beroende på frekvensen av det alternerande magnetfältet f, storleken på skärmen L, ledningsförmågan hos siktmaterialet och dess tjocklek d, kan ungefär hittas med formeln:

Applicering av supraledande skärmar

Som ni vet kan en supraledare helt flytta magnetfältet bort från sig själv. Detta fenomen är känt som Meissner-effekt… Enligt Lenz regel, varje förändring i magnetfältet i supraledaren genererar induktionsströmmar som med sina magnetfält kompenserar för förändringen av magnetfältet i supraledaren.

Om vi ​​jämför det med en vanlig ledare, så försvagas inte induktionsströmmarna i en supraledare och kan därför utöva en kompenserande magnetisk effekt under oändligt (teoretiskt) lång tid.

Nackdelarna med metoden kan betraktas som dess höga kostnad, närvaron av ett kvarvarande magnetfält inuti skärmen som fanns där före övergången av materialet till ett supraledande tillstånd, såväl som supraledarens känslighet för temperatur. I det här fallet kan den kritiska magnetiska induktionen för supraledare nå tiotals tesla.

Avskärmningsmetod med aktiv kompensation

För att minska det externa magnetfältet kan ett extra magnetfält som är lika stort men motsatt i riktning mot det externa magnetfält som ett visst område ska skärmas från skapas specifikt.

Detta uppnås genom implementering speciella kompensationsspolar (Helmholtz-spolar) — ett par identiska koaxiellt anordnade strömförande spolar som är åtskilda med ett avstånd av spolens radie. Ett ganska likformigt magnetfält erhålls mellan sådana spolar.

För att uppnå kompensation för hela volymen av ett givet område behöver du minst sex sådana spolar (tre par), som placeras i enlighet med en specifik uppgift.

Typiska tillämpningar för ett sådant kompensationssystem är skydd mot lågfrekventa störningar som genereras av elektriska nätverk (50 Hz), samt avskärmning av jordens magnetfält.

Typiskt fungerar system av denna typ tillsammans med magnetfältssensorer. Till skillnad från magnetiska sköldar, som reducerar magnetfältet tillsammans med bruset i hela volymen som begränsas av skölden, tillåter aktivt skydd med hjälp av kompensationsspolar att eliminera magnetiska störningar endast i det lokala området som det är avstämt.

Oavsett utformningen av det antimagnetiska störningssystemet behöver var och en av dem antivibrationsskydd, eftersom vibrationerna från skärmen och sensorn bidrar till genereringen av ytterligare magnetisk störning från själva den vibrerande skärmen.