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靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場屏蔽

作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2019-06-29

    電磁屏蔽一般可分為(wei) 三種:靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場屏蔽。三種屏蔽的目的都是防止外界的電磁場進入到某個(ge) 需要保護的區域中,原理都是利用屏蔽對外場的感應產(chan) 生的效應來抵消外場的影響。但是由於(yu) 所要屏蔽的場的特性不同,因而對屏蔽殼材料的要求和屏蔽效果也就不相同。
    一、 靜電屏蔽
    靜電屏蔽的目的是防止外界的靜電場進入需要保護的某個(ge) 區域。靜電屏蔽依據的原理是:在外界靜電場的作用下導體(ti) 表麵電荷將重新分布,直到導體(ti) 內(nei) 部總場強處處為(wei) 零為(wei) 止。接地的封閉金屬殼是一種良好的靜電屏蔽裝置。如圖所示,接地的封閉金屬殼把空間分割成殼內(nei) 和殼外兩(liang) 個(ge) 區域,金屬殼維持在零電位。根據靜電場的唯一性定理,可以證明:金屬殼內(nei) 的電場僅(jin) 由殼內(nei) 的帶電體(ti) 和殼的電位所確定,與(yu) 殼外的電荷分布無關(guan) 。當殼外電荷分布變化時,殼層外表麵上的電荷分布隨之變化,以保證殼內(nei) 電場分布不變。因此,金屬殼對內(nei) 部區域具有屏蔽作用。殼外的電場僅(jin) 由殼外的帶電體(ti) 和金屬殼的電位以及無限遠處的電位所確定,與(yu) 殼內(nei) 電荷分布無關(guan) 。當殼內(nei) 電荷分布改變時,殼層內(nei) 表麵的電荷分布隨之變化,以保證殼外電場分布不變。因此,接地的金屬殼對外部區域也具有屏蔽作用。在靜電屏蔽中,金屬殼接地是十分重要的。當殼內(nei) 或殼外區域中的電荷分布變化時,通過接地線,電荷在殼層外表麵和大地之間重新分布,以保證殼層電勢恒定。從(cong) 物理圖像上看,因為(wei) 在靜電平衡時,金屬內(nei) 部不存在電場,殼內(nei) 外的電場線被金屬隔斷,彼此無聯係,因此,導體(ti) 殼有隔離殼內(nei) 外靜電相互作用的效應。
    如果金屬殼未完全封閉,殼上開有孔或縫,也同樣具有靜電屏蔽作用。在許多實際應用中,靜電屏蔽裝置常常是用金屬絲(si) 編織成的金屬網代替閉合的金屬殼,即使一塊金屬板,一根金屬線,亦有一定的靜電屏蔽作用,隻是屏蔽的效果不如金屬殼。
    在外電場的作用下,電荷在導體(ti) 上的重新分布,在10-19秒數量級時間內(nei) 就可完成,因此對低頻變化的電場,導體(ti) 上的電荷有足夠長的時間來保證內(nei) 部場強為(wei) 零.所以靜電屏蔽裝置對緩慢變化的電場也有屏蔽作用。為(wei) 了提高對變化電場的屏蔽效果,屏蔽物的電導率應大,接地線要短,與(yu) 地的接觸要良好。
    身穿高壓作業(ye) 服的人,由於(yu) 被銅絲(si) 編織的衣服所包裹,人體(ti) 內(nei) 的場強保持為(wei) 零,因此沒有電流從(cong) 人體(ti) 中流過,人體(ti) 是安全的。不過在作業(ye) 者剛剛接觸高壓線的一瞬間高壓服上的電荷有一個(ge) 瞬時分布的過程,在這極小的時間內(nei) 人體(ti) 會(hui) 有短暫的微弱電場作用,一般作業(ye) 者都能經受住這考驗。靜電屏蔽的特點是一般隻考慮到對靜電場的屏蔽,封閉導體(ti) 的屏蔽作用是完全的(即內(nei) 部場強可達到真正等於(yu) 零),對屏壁殼的厚度和電導率也無要求。隻有在把低頻交流電場的屏蔽包括在靜電屏蔽中時,總是希望屏蔽殼的電導率愈高愈好。


    二、靜磁屏蔽
    靜磁屏蔽的目的是防止外界的靜磁場和低頻電流的磁場進入到某個(ge) 需要保護的區域,這時必須用磁性介質做外殼。靜磁屏蔽依據的原理可借助並聯磁路的概念來說明。把一高磁導率的材料製成的球殼放在外磁場中,則鐵殼壁與(yu) 空腔中的空氣可以看成是並聯的磁路。由於(yu) 空氣的磁導率接近於(yu) 1,而鐵殼的磁導率至少有幾千,所以空腔的磁阻比鐵殼壁的磁阻大的多。這樣一來,外磁場的磁感應通量中絕大部分將沿著鐵殼壁內(nei) “通過”,“進入”空腔內(nei) 部的磁通量是很少的,這就達到了磁屏蔽的目的。
    外殼的厚度和磁導率對屏蔽效果有很明顯的影響:外殼越厚、磁導率越高,屏蔽的效果就越好。因此,在重量和體(ti) 積受到限製的情況下,常常采用磁導率高達幾萬(wan) 的坡莫合金來做屏蔽殼,而且殼的各個(ge) 部分要盡量結合緊密,使磁路暢通。
    如果要製造絕對的“靜磁真空”,則可以利用超導體(ti) 的“邁斯納效應”。即將一塊超導體(ti) 放在外磁場中,其體(ti) 內(nei) 的磁感應強度永遠為(wei) 零。超導體(ti) 是完全抗磁體(ti) ,具有最理想的靜磁屏蔽效果,但目前還不能普遍應用。


    手表為(wei) 了防磁,在機芯外裝一個(ge) 鐵質的襯套 也是一種屏蔽作用。


    三、高頻電磁場屏蔽


    在火車車廂裏,打開半導體(ti) 收音機,幾乎收不到電台的廣播,這是由於(yu) 車廂的蒙皮大部分是由鐵皮製成,它起了屏蔽作用。
    高頻電磁場屏蔽是防止外界的高頻電磁場進入到某個(ge) 區域。由於(yu) 電磁場的變化頻率很高(例如百萬(wan) 赫茲(zi) 或更高),場中導體(ti) 上的感應電荷已不能再看作靜止的了(導體(ti) 不再處於(yu) 靜電平衡狀態),因此必須用電磁波在導體(ti) 中的“貫穿深度”來說明屏蔽的原理:當高頻電磁波射向一導體(ti) 表麵,並進入表麵後,它會(hui) 在導體(ti) 中感應出一個(ge) 高頻交變電流,此電流會(hui) 激發一個(ge) 新的電磁波,新激發的電磁波在導體(ti) 內(nei) 部與(yu) 入射的電磁波相位相反、同時導體(ti) 內(nei) 電流的產(chan) 生還導致入射波場能的消耗,結果使得導體(ti) 內(nei) 部總的電磁場基本上隨深度呈指數衰減,可以用“貫穿深度”來表示衰減的程度。“貫穿深度”與(yu) 入射電磁波的頻率、導體(ti) 的電導率及磁導率都有關(guan) 係:頻率越高、電導率越大、磁導率越大“貫穿深度”就越小。當殼罩壁的厚度大於(yu) 貫穿深度時,殼罩就具有良好的電磁屏蔽作用。高電導率或高磁導率材料製成的殼罩是一種良好的電磁屏蔽裝置。提高殼罩材料的電導率或磁導率,增加殼壁的厚度,可以提高電磁屏蔽的效果。


    像鋁、鋼、鐵這樣的金屬,1兆赫左右的電磁波在其中的“透入深度”約百分之幾毫米,所以這些金屬隻要一張紙那麽(me) 厚就基本可以屏蔽I兆赫的電磁波。尤其是鐵,因為(wei) 它的磁導率很高,故屏蔽效果特別好。如在收音機中,用空芯鋁殼罩在線圈外麵,使它不受外界電磁場的幹擾從(cong) 而避免雜音。音頻饋線用屏蔽線也是這個(ge) 道理。示波管用鐵皮包著,也是為(wei) 了使雜散電磁場不影響電子射線的掃描。在金屬屏蔽殼內(nei) 部的元件或設備所產(chan) 生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設備。
    高電導率材料製成的屏蔽物對低頻磁場的屏蔽效果比較差。例如,在工頻50赫時,銅的貫穿深度約為(wei) 9.4毫米,薄壁銅殼的屏蔽作用很小。在實際應用中,常采用靜磁屏蔽措施來屏蔽低頻磁場。電磁屏蔽物接地後也可以屏蔽靜電幹擾。電磁屏蔽物上不能隨意開縫,因為(wei) 電磁屏蔽還利用了渦電流的作用,若縫隙割斷了渦電流的通路,屏蔽效果要降低。


    遠近場的劃分
    根據兩(liang) 類基本源的場隨1/r(場點至源點的距離)的變化來劃分遠近場,兩(liang) 類源在遠近場的場特征及傳(chuan) 播特性均有所不同。故遠近場的劃分滿足以下原則:
    

    電磁屏蔽材料:
    選擇使用什麽(me) 種類電磁密封襯墊時要考慮四個(ge) 因素:屏蔽效能要求、有無環境密封要求、安裝結構要求、成本要求。按機理可分為(wei) 電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。
    電場屏蔽
    【屏蔽機理】:將電場感應看成分布電容間的耦合。
    【設計要點】:
    a、屏蔽板以靠近受保護物為(wei) 好,而且屏蔽板的接地必須良好!!!
    b、屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯影響。全封閉的金屬盒最好,但工程中很難做到!
    c、屏蔽板的材料以良導體(ti) 為(wei) 好,但對厚度無要求,隻要有足夠的強度就可了。
    有通風需求的屏蔽板


    鋁製蜂窩式通風板
   

    磁場屏蔽
    磁場屏蔽通常是指對直流或低頻磁場的屏蔽,其效果比電場屏蔽和電磁場屏蔽要差的多。


    【 屏蔽機理】:主要是依靠高導磁材料所具有的低磁阻,對磁通起著分路的作用,使得屏蔽體(ti) 內(nei) 部的磁場大為(wei) 減弱。
    【設計要點】:
    a、選用高導磁材料,如坡莫合金;
    b、增加屏蔽體(ti) 的厚度;
    以上均是為(wei) 了減小屏蔽體(ti) 的磁阻;
    c、被屏蔽的物體(ti) 不要安排在緊靠屏蔽體(ti) 的位置上,以盡量減小通過被屏蔽物
    體(ti) 體(ti) 內(nei) 的磁通;
    d、注意屏蔽體(ti) 的結構設計,凡接縫、通風空等均可能增加屏蔽體(ti) 的磁阻,從(cong)
    而降低屏蔽效果。
    e、對於(yu) 強磁場的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體(ti) 的結構。
    典型的交流磁性能


    對要屏蔽外部強磁場的,則屏蔽體(ti) 的外層選用不易飽和的材料,如矽鋼;而內(nei) 部可選用容易達到飽和的高導磁材料,如坡莫合金等。
    反之,如果要屏蔽內(nei) 部強磁場時,則材料的排列次序要到過來。
    在安裝內(nei) 外兩(liang) 層屏蔽體(ti) 時,要注意彼此間的絕緣。當沒有接地要求時,可用絕緣材料做支撐件。若需接地時,可選用非鐵磁材料(如銅、鋁)做支撐件。


    電磁場屏蔽
    電磁場屏蔽是利用屏蔽體(ti) 阻止電磁場在空間傳(chuan) 播的一種措施。
    【電磁場屏蔽的機理】:
    a、當電磁波到達屏蔽體(ti) 表麵時,由於(yu) 空氣與(yu) 金屬的交界麵上阻抗的不連續,對入射波產(chan) 生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度,隻要求交界麵上的不連續;
    b、未被表麵反射掉而進入屏蔽體(ti) 的能量,在體(ti) 內(nei) 向前傳(chuan) 播的過程中,被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收;
    c、在屏蔽體(ti) 內(nei) 尚未衰減掉的剩餘(yu) 能量,傳(chuan) 到材料的另一表麵時,遇到金屬-空氣阻抗不連續的交界麵,會(hui) 形成再次反射,並重新返回屏蔽體(ti) 內(nei) 。這種反射在兩(liang) 個(ge) 金屬的交界麵上可能有多次的反射。
    總之,電磁屏蔽體(ti) 對電磁的衰減主要是基於(yu) 電磁波的反射和電磁波的吸收。
    【吸收損耗】不同的材料、不同的材料厚度對於(yu) 電磁波的吸收效果不一樣.可根據材料吸收損耗的列線圖得出。
    【反射損耗】分為(wei) 三類:低阻抗磁場、高阻抗電場、平麵波場。
    其中低阻抗磁場和高阻抗電場的反射損耗列線圖計算方法相同,與(yu) 金屬材料、頻率及輻射源到屏蔽體(ti) 的距離有關(guan) 。
    對於(yu) 平麵波,波阻抗為(wei) 一常數,而與(yu) 輻射源到屏蔽體(ti) 的距離無關(guan) ,在列線圖中隻需連接金屬材料和感興(xing) 趣的頻率就可求出此時的反射損耗值。
    實際的電磁屏蔽體(ti)
    【結構材料】
    a、適用於(yu) 底板和機殼的材料大多數是良導體(ti) ,如銅、鋁等,可以屏蔽電場,主要的屏蔽機理是反射信號而不是吸收。
    b、對磁場的屏蔽需要鐵磁材料,如高導磁率合金和鐵。主要的屏蔽機理是吸收而不是反射。
    c、在強電磁環境中,要求材料能屏蔽電場和磁場兩(liang) 種成分,因此需要結構上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。
    d、對於(yu) 塑料殼體(ti) ,是在其內(nei) 壁噴塗屏蔽層,或在汽塑時摻入金屬纖維。
    必須盡量減少結構的電氣不連續性,以便控製經底板和機殼進出的泄漏輻射。提高縫隙屏蔽效能的結構措施包括增加縫隙深度,減少縫隙長度,在結合麵上加入導電襯墊,在接縫處塗上導電塗料,縮短螺釘間距離等。
    【搭接】
    a、在底板和機殼的每一條縫和不連續處要盡可能好的搭接。最壞的電搭接對殼體(ti) 的的屏蔽效能起決(jue) 定性作用。
    b、保證接縫處金屬對金屬的接觸,以防電磁能的泄漏和輻射。
    c、在可能的情況下,接縫應焊接。在條件受限製的情況下,可用點焊、曉間距的鉚接和用螺釘來固定。
    d、在不加導電襯墊時,螺釘間距一般應小於(yu) 最高工作頻率的1%,至少不大於(yu) 1/20波長。
    e、用螺釘或鉚接進行搭接時,應首先在縫的中部搭接好,然後逐漸向兩(liang) 端延伸,以防金屬表麵的彎曲。
    f、保證緊固方法有足夠的壓力,以便在有變形應力、衝(chong) 擊、震動時保持表麵接觸。
    g、在接縫不平整的地方,或在可移動的麵板等處,必須使用導電襯墊或指形彈簧材料。
    h、選擇高導電率的和彈性好的襯墊。選擇襯墊時要考慮結合處所使用的頻率。
    i、選擇硬韌性材料做成的襯墊,以便劃破金屬上的任何表麵。
    j、保證同襯墊材料配合的金屬表麵沒有任何非導電保護層。
    k、當需要活動接觸時,使用指形壓簧,並要注意保持彈性指簧的壓力。
    l、導電橡膠襯墊用在鋁金屬表麵時,要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠或monel線性襯墊將出現最嚴(yan) 重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導電橡膠是鹽霧環境下用於(yu) 鋁金屬配合表麵的最好襯墊材料。
    以下是按優(you) 先等級排列的各種襯墊。
    1 金屬網射頻襯墊 容易變形,壓力為(wei) 1.4kg/cm時,衰減為(wei) 54db。
    資料表明,頻率較低時衰減最大。
    用於(yu) 永久密封較好,不適宜用於(yu) 開與(yu) 關(guan) 的麵板。
    2 銅鍍合金 有很高的導電性和很好的抗腐蝕性。
    彈性好,最適合用於(yu) 和活動麵板配合。可製成指條形、螺旋和鋸齒麵。衰減為(wei) 100db。
    3 導電橡膠 適用於(yu) 隻需名義(yi) 上連接和少量螺釘的地方。
    實現水汽密封和電氣密封經1500℃、48小時老化後,體(ti) 電阻率為(wei) 10~20mω/cm(max)。變形度限製值為(wei) 25%。資料表明,頻率較高時衰減為(wei) 最大。
    4 導電蒙布 在泡沫塑料上蒙一塊鍍銀編織物,形成一個(ge) 軟
    襯墊,占去大部分疏鬆空間,主要為(wei) 民用,適用於(yu) 泡沫襯墊 機櫃和門板。

Tags:電磁學,靜電屏蔽,靜磁屏蔽,電磁場屏蔽  
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