Физические методы обеспечения электромагнитной совместимости.

            

4.1. Экранирование электростатических полей

 

Экранирование является одним из радикальных методов обеспечения электромагнитной совместимости и по затратам одним из самых дорогих. Тем не менее, поскольку при проектировании не всегда удается полностью учесть все факторы, определяющие ЭМС, и реализовать меры по защите аппаратуры и ее составных частей от помех, к экранированию приходится прибегать. Основное назначение экрана – снизить уровень поля помехи до допустимого уровня и перед конструктором стоит задача добиться решения этой задачи с минимальными затратами. Для этого необходимо знать физические процессы, происходящие при экранировании. Рассмотрим вначале экранирование статических полей. Если внести в постоянное электрическое поле проводящее тело, то в течение весьма короткого времени произойдет перераспределение зарядов в нем и установиться новое статическое состояние, при котором касательная составляющая внешнего электрического поля окажется равной нулю. Поскольку движение зарядов прекращено, в любой внутренней точке проводника плотность тока равна нулю, а так как проводимость имеет конечную величину, то по закону Ома напряженность внутри электрического поля внутри проводника тоже равна нулю. Применяя закон Гаусса к окрестности малого элемента поверхности проводника можно установить, что на поверхности проводника появляется заряд с поверхностной плотностью

,                                   (18.1)

где Е_nе – нормальная составляющая внешнего поля. Всю внутреннюю часть проводника не нарушая достигнутого равновесия можно удалить, оставив весьма тонкую оболочку и сохранив при этом равенство нулю поля внутри полости. Если приходиться защищать внешнее пространство от источника электрического поля необходимо различать два случая. В случае, если суммарный заряд q источника поля не равен нулю, то экранирование оболочкой приводит к появлению на внутренней поверхности оболочки заряда –q, а на внешней поверхности, из-за того что оболочка в целом нейтральна, первоначального заряда q. То есть простое установление замкнутой оболочки вокруг источника не устраняет его поля, а может лишь пространственно перераспределить его за счет формы экрана. Для достижения экранирующего эффекта в этом случае необходимо оболочку заземлить и дать возможность стечь зарядам с внешней поверхности. В случае же, когда суммарный заряд источника равен нулю (например, источник в виде диполя), то экранирующий эффект достигается без заземления.

В реальных условиях применение полностью замкнутой оболочки невозможно, поскольку защищаемые устройства должны сообщаться с внешним миром для обмена информацией и получения энергии. Поэтому часто приходится довольствоваться экраном конечных размеров. Рассмотрим эффект применения такого экрана для экранирования поля точечного источника с результирующим зарядом q (рис. 13.1).

Поместим между источником электрического поля малых размеров с результирующим зарядом q экран конечных размеров. Поле в точке М в отсутствие экрана определяется соотношением

.                              (13.2)

Будем предполагать, что поле перед экраном со стороны заряда определяется по методу изображений и считать, что размеры экрана велики по сравнению с расстоянием h_q от экрана до заряда и поэтому краевые эффекты пренебрежимо малы:

.                        (13.3)

Поверхностная плотность заряда в соответствии с (13.1) составляет:

.                                (13.4)

Видно, что плотность заряда весьма быстро (~ 1/r³) спадает к краям экрана и можно считать, что весь заряд сосредоточен вблизи проекции заряда на экран. На поверхности экрана со стороны заряда q индуцируется отрицательный заряд с величиной не менее чем  и не менее чем . Поскольку экран в целом нейтрален, то такой величины положительный заряд появляется на обратной по отношению к возбуждающему заряду стороне экрана. При этом можно показать, что он распределен с плотностью близкой к равномерной. Так что плотность заряда здесь составляет величину близкую к

,

а, следовательно, поле вблизи экрана приблизительно однородно и составляет величину:

.                             (13.5)

Эффективность экранирования определяется

.                (13.6)

Аналогичный экранирующий эффект достигается и в случае многопроводной линии, если часть ее проводников использовать в качестве разделяющих экранирующих электродов, подсоединенных к заземлению.

 

Контрольные вопросы

1. На каком принципе основано экранирование электростатического поля проводниками?

2. Как достигается эффект экранирования для замкнутой металлической оболочки с источником помехи внутри?

3. Надо ли экранировать источник электростатического поля, если суммарный заряд источника равен нулю?

4. Как при этом влияет наличие заземления на эффективность экранирования?

5. Почему экранирующая оболочка не может быть полностью замкнутой?

6. От каких параметров зависит экранирующее действие незамкнутого экрана?

       7. Чем определяется эффективность экранирования прямоугольного плоского металлического экрана?

8. Можно ли такой принцип экранирования использовать в многопроводной линии?

 

 

Лекция 14

      4.2. Экранирование магнитостатических полей.

 

 Экранирование постоянного магнитного поля представляет более трудную задачу. Потому что в природе не существует свободных магнитных зарядов. Создание проводящих магнитных экранов невозможно. Одним из способов изменения магнитного поля является изменение направления его силовых линий с помощью магнитных материалов. На границе раздела двух сред с различными магнитными свойствами предельные значения векторов поля по обе стороны границы связаны друг с другом следующими граничными условиями:

                                (14.1)

где  - нормаль к границе раздела двух сред. Первое из этих соотношений отражает свойство непрерывности касательных составляющих напряженности магнитного поля, при переходе через границу раздела, а второе – нормальных составляющих магнитной индукции.

Пусть в среде с магнитной проницаемостью m_е существует однородное магнитное поле . Внесем в него шар с магнитной проницаемостью m_i >> m_е. Ось z системы координат с началом в центре шара направим вдоль поля . Тогда в сферической системе поле обладает осевой симметрией и не зависит от азимутального угла j. Возьмем пробное решение для поля внутри шара также однородным , а внешнее поле возмущения, вносимого шаром, будем искать в виде поля магнитного диполя:

,                                     (14.2)

где  - неизвестный момент диполя.

Проектируя поля на орты сферической системы координат, получим следующее их представление:

, (14.3)

.                          (14.4)

С учетом того, что нормаль  к поверхности сферы совпадает с радиальным ортом сферической системы координат их граничных условий (14.1) с учетом представления (14.3) и (14.4) вытекает следующая система уравнений для определения неизвестных величин р_m и H_i:

из которой получаются следующие значения для величины поля Н_i внутри шара и момента шара р_m:

,                                                      (14.5)

                                (14.6)

где V_ш = 4pa³/3 – объем шара.

Подставляя (14.6) в (14.2) получаем следующее значение для поля возмущения:

.                      (14.7)

Важно отметить важное обстоятельство. Вносимое шаром возмущение вне шара быстро спадает по мере удаления от шара. Например, для (a/r) = 0.1, т.е. на расстоянии десяти радиусов поле уменьшается по сравнению с Н_е более чем в 500 раз. Грубо говоря на расстоянии двух радиусов от центра шара возмущение, вносимое шаром на порядок (в 8 раз) меньше по сравнению с полем Н_е. Поэтому, если вырезать внутри шара полость с радиусом а_п º а/2, то для расчета поля внутри и вне полости с удовлетворительной точностью использовать с соответствующими изменениями только что полученные формулы (14.5) и (14.6). Тогда для поля внутри полости имеем:

.                 (14.8)

Например, при относительной магнитной проницаемости сферической оболочки m_r = 100 поле в полости ослабляется более чем в 20 раз.

В случаях, когда по каким-либо причинам невозможно применение для электрического экранирования проводников, рассмотренный принцип магнитного экранирования может быть перенесен и на экранирование электрического поля с соответствующим применением для этого материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости. Все приведенные для магнитного поля соотношения могут использоваться с заменой m_r на e_r и  и .

 

Контрольные вопросы

1. Какие граничные для касательных составляющих магнитного поля выполняются на границе магниного экрана и воздуха?

2. Какие граничные условия выполняются на границе магнитного экрана и воздуха для нормальной составляющей магнитной индукции?

3. Можно ли создать аналог электростатического проводящего экрана для экранирования постоянного магнитного поля?

4. На чем основана работа магнитного экрана?

5. Чем, кроме эксперимента можно подтвердить справедливость предположения об однородности магнитного поля внутри шарового тела при внесении его во внешнее однородное магнитное поле?

6. Точно или приближенно выполняется предположение о том, что внешнее поле, индуцируемое магнитным шаром во внешнем однородном поле, имеет характер поля магнитного диполя?

7. Как зависит магнитное поле диполя от угловой координаты, отсчитываемой от оси, параллельной моменту диполя? 

8. Какова эффективность экранирования магнитного поля шаровой оболочкой из магнитного материала?

9. Можно ли использовать аналог магнитного экрана для экранирования электрического поля?

 

Лекция 15

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: