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电磁屏蔽理论_电磁屏蔽知识必不可知!

电磁屏蔽理论_电磁屏蔽知识必不可知!

电磁屏蔽一般可以分为三种:静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁屏蔽。三种屏蔽的目的是防止外部电磁场进入需要保护的区域。原理是利用屏蔽对外场感应的作用来抵消外场的影响。但由于要屏蔽的领域特点不同,对屏蔽外壳材料和屏蔽效果的要求也不同。

一、静电屏蔽

静电屏蔽的目的是防止外部静电场进入某个需要防护的区域。静电屏蔽的原理是导体的表面电荷在外部静电场的作用下会重新分布,直到导体内部的总场强处处为零。接地的封闭金属外壳是良好的静电屏蔽装置。接地的封闭金属外壳将空间分为外壳内外两个区域,金属外壳保持零电位。根据静电场的唯一性定理,可以证明金属壳体内的电场只由壳体内的带电体和壳体的电位决定,与壳体外的电荷分布无关。当壳体外的电荷分布发生变化时,壳体外表面的电荷分布也随之变化,以保证壳体内的电场分布保持不变。所以金属外壳对内部区域有屏蔽作用。壳外电场只由壳外带电体和金属壳的电势以及无穷远处的电势决定,与壳内电荷分布无关。当壳体内的电荷分布发生变化时,壳体内表面的电荷分布也随之变化,以保证壳体外的电场分布保持不变。因此,接地的金属外壳对外部区域也有屏蔽作用。在静电屏蔽中,金属外壳的接地非常重要。当壳体内或壳体外的电荷分布发生变化时,电荷通过接地线在壳体外表面和大地之间重新分布,保证壳体电位恒定。从物理形象上看,由于静电平衡时金属内部没有电场,外壳内外的电场线被金属隔开,导体外壳具有隔离外壳内外静电相互作用的作用。

如果金属外壳没有完全封闭,外壳有孔洞或缝隙,也有静电屏蔽的作用。在许多实际应用中,封闭的金属壳常常被金属丝编织的金属网代替。即使是金属板和金属线也有一定的静电屏蔽效果,但屏蔽效果不如金属外壳。

在外电场的作用下,导体上电荷的重新分布可以在10-19秒内完成,因此导体上的电荷有足够的时间保证对低频变化的电场内部场强为零,因此静电屏蔽装置对缓慢变化的电场也有屏蔽作用。为了提高对变化电场的屏蔽效果,屏蔽体的导电率要大,接地线要短,与地面接触要好。

穿高压工作服的人被铜线编织的衣服包裹着,所以人体内的场强保持为零,所以没有电流流过人体,人体是安全的。但在操作者刚接触高压线的瞬间,高压服上的电荷有一个瞬时分布过程。在这极短的时间内,人会经历一个短时的弱电场,一般的操作者是经得起这个考验的。静电屏蔽的特点是一般只考虑静电场的屏蔽,封闭导体的屏蔽作用是完全的(即内部场强可以真正等于零),对屏壁外壳的厚度和导电性没有要求。只有当低频交流电场的屏蔽包含在静电屏蔽中时,才总是希望屏蔽壳的导电率越高

静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入某个需要防护的区域。这时,必须使用磁介质作为外壳。静磁屏蔽的原理可以用平行磁路的概念来解释。将高磁导率材料制成的球壳置于外磁场中时,铁壳壁和腔内空气可视为平行磁路。因为空气的磁导率接近1,而铁壳的磁导率至少有几千,所以空腔的磁阻远大于铁壳壁的磁阻。这样,外磁场的大部分磁感应通量会沿着铁壳壁“通过”,而“进入”腔体的磁通量很少,从而达到磁屏蔽的目的。

外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有明显的影响:外壳越厚,磁导率越高,屏蔽效果越好。因此,在重量和体积有限的情况下,往往采用磁导率高达数万的坡莫合金作为屏蔽外壳,外壳各部分应尽可能紧密结合,使磁路通畅。

如果我们想创造一个绝对的静磁真空,我们可以利用超导体的“梅斯纳效应”。也就是说,如果将超导体置于外磁场中,其体内的磁感应强度将永远为零。超导体是完全抗磁性的,具有最好的静磁屏蔽效果,但目前应用并不广泛。

为了防磁,在手表的机芯外面放一个铁衬套也是一种屏蔽作用。

三、高频电磁场屏蔽

在火车车厢里,打开晶体管收音机,几乎没有广播。这是因为火车车厢的蒙皮多为铁皮,起到屏蔽作用。

高频电磁场屏蔽是为了防止外部高频电磁场进入某个区域。由于电磁场的频率很高(例如兆赫或更高),在场内导体上感应的电荷就不能再视为静电(导体不再处于静电平衡状态),所以屏蔽的原理必须用电磁波在导体中的“穿透深度”来解释:当高频电磁波撞击导体表面并进入表面时,就会在导体中感应出高频交流电,从而激发出新的电磁波。新激发的电磁波与导体中的入射电磁波方向相反,导体中的电流也导致入射波场能量的消耗。这样一来,导体中的总电磁场基本上随深度呈指数衰减,衰减的程度可以用“穿透深度”来表示。“穿透深度”与入射电磁波的频率、导体的电导率和磁导率有关:频率越高,电导率和磁导率越大,“穿透深度”越小。当壳体壁厚大于穿透深度时,壳体具有良好的电磁屏蔽效果。由高导或高导材料制成的外壳是一种良好的电磁屏蔽装置。提高壳体材料的导电性或渗透性,增加壳体壁的厚度,可以提高电磁屏蔽效果。

铝、钢、铁等金属对1 MHz左右的电磁波的“穿透深度”约为几毫米,所以这些金属只要有一张纸那么厚,基本上就能屏蔽1 MHz的电磁波。尤其是铁,因为它的磁导率很高,所以屏蔽效果特别好。比如在收音机里,用一个中空的铝壳把线圈包起来,使其不受外界电磁场的干扰,从而避免噪音。音频馈线的屏蔽线也是如此。示波管用铁皮包裹,也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。金属屏蔽外壳内部的元件或设备产生的高频电磁波无法穿透金属外壳,不会影响外部设备。

高导材料制成的屏蔽体对低频磁场的屏蔽效果较差。例如,当电源频率为50 Hz时,穿透深度

根据两种基本源的场随1/r(场点到源点的距离)的变化来划分远场和近场,两种源的场特性和传播特性是不同的。因此,远场和近场的划分符合以下原则:

近场:远场:

电磁屏蔽材料:

在选择使用什么样的电磁密封垫片时,要考虑四个因素:屏蔽效率要求、环境密封要求、安装结构要求和成本要求。按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

电场屏蔽:

【屏蔽机理】:电场感应被视为分布电容之间的耦合。

【设计要点】:A、屏蔽板要靠近被保护对象,屏蔽板的接地必须良好!b、屏蔽板的形状对屏蔽效率有明显的影响。全封闭的金属盒最好,但是工程上很难做到!c、屏蔽板的材质为良导体,但对厚度没有要求,只要有足够的强度即可。

有通风要求的屏蔽板,铝蜂窝通风板

磁场屏蔽

磁场屏蔽通常是指DC或低频磁场的屏蔽,其效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多。

【屏蔽机理】:主要依靠高导磁率材料的低磁阻,对磁通量起到分流作用,大大削弱屏蔽体内的磁场。

【设计要点】:A、选择高磁导率材料,如坡莫合金;b .增加护罩的厚度;以上所有的都是为了降低屏蔽的磁阻;c、屏蔽物不要靠近屏蔽体布置,尽量减少穿过屏蔽物的磁通量;d、注意防护罩的结构设计,接缝、通风等。可能会增加屏蔽的磁阻,从而降低屏蔽效果。e、对于强磁场的屏蔽,可采用双层磁屏蔽结构。

典型交流磁性

为了屏蔽外界的强磁场,屏蔽体的外层由不易饱和的材料制成,如硅钢;内部可以由容易达到饱和的高导磁率材料制成,例如坡莫合金。另一方面,如果要屏蔽内部强磁场,就要把材料的排列顺序反过来。安装内外屏蔽时,注意它们之间的绝缘。当没有接地要求时,可以用绝缘材料做支撑。如果需要接地,可选用非铁磁材料(如铜、铝)作为支撑件。

电磁屏蔽

电磁屏蔽是利用屏蔽体防止电磁场在空间传播的措施。

【电磁场屏蔽的机理】:a .电磁波到达屏蔽体表面时,由于空气与金属界面上阻抗的不连续性,发生入射波的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度,只要求界面上不连续;b、未被表面反射而进入屏蔽体的能量,在体内正向传播过程中被屏蔽材料衰减。所谓吸收;c、当屏蔽体中的剩余能量传递到材料的另一面时,遇到金属-空气阻抗不连续的界面时会再次反射,会再次返回屏蔽体。这种反射在两种金属的界面上可能有多次反射。

总之,电磁屏蔽的衰减主要是基于电磁波的反射和吸收。

【吸收损耗】不同的材料,不同的材料厚度对电磁波的吸收效果不同,可以根据材料吸收损耗的诺谟图得到。【反射损耗】分为三类:低阻抗磁场、高阻抗电场、平面波场。

低阻抗磁场和高阻抗电场的反射损耗诺模图的计算方法是一样的,都与金属材料、频率和离辐射源的距离有关

C.在强电磁环境下,要求材料屏蔽电场和磁场,因此需要结构完整的铁磁材料。屏蔽效率直接受到材料厚度以及搭接和接地方法质量的影响。

d、对于塑料外壳,在塑料外壳内壁喷涂屏蔽层,或者在蒸汽成型时混入金属纤维。

该结构的电气不连续性必须最小化,以便控制通过底板和外壳进入和离开的泄漏辐射。提高间隙屏蔽效率的结构措施包括增加间隙深度、减小间隙长度、在连接面上加导电垫、在连接处涂导电涂层、缩短螺钉间距等。审核编辑黄浩宇

标签:屏蔽材料外壳


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