Металлический экран и электромагнитная волна

На практике почти всегда приходится бороться с переменными полями.

Для экранирования переменных электромагнитных полей всегда используют металлы. Потому что электрическая составляющая электромагнитной волны может взаимодействовать только с проводниками, наводя в них токи. Но и на переменные магнитные поля (в отличие от постоянных) металл (даже не имеющий магнитных свойств, т.е. с μ = 1) оказывает экранирующее действие. Происходит это потому, что переменное магнитное поле индуцирует в металле экрана вихревые токи, магнитное поле которых, направлено навстречу исходному, т.е. частично компенсирует его.

Мы рассмотрим экранирование электромагнитной волны (ЭМВ), сформированной источником, сильно удаленным от экрана. В таких условиях нет смысла отдельно рассматривать электрическую и магнитную составляющую (в распространяющейся электромагнитной волне они однозначно связаны через коэффициент 376,7 Ом, называемый волновым сопротивлением свободного пространства). Также, при рассмотрении электромагнитной волны неудобно говорить о наведенных в экране токах. Понятнее оперировать отражением ЭМВ от экрана (как, например, со светом – тоже электромагнитной волной). Кстати, замечу, что отражение возникает именно вследствие наведенных токов, так что разница тут только терминологическая, но не в физической сути.

 

Рассмотрим самый простой случай, показанный на рис. 4.2: плоский бесконечный металлический экран, на который падает электромагнитная волна. На этом рисунке интенсивность волны условно обозначена толщиной и заливкой стрелок: чем толще и темнее стрелка, тем больше поле.

Большая падающая на экран волна (сверху слева рис. 4.2.) большей частью непосредственно отразится от внешней поверхности экрана (т.к. он металлический, а отражение на стыке воздух-металл велико). Оставшаяся после этого отражения часть волны (обозначим её R и будем измерять как любое затухание в децибелах) пройдет в металл экрана и будет в нем распространяться.

Но в металле электромагнитная волна быстро затухает при распространении. Обозначим это затухание A (тоже в децибелах). Дойдя до внутренней границы экрана, эта волна почти полностью выходит за экран, т.к. отражение на стыке металл-воздух мало. Общее ослабление этой волны относительно падающей составит R + A.

Но малое отражение не значит, что его вовсе нет. Часть прямо прошедшей в экран волны (на рис. 4.2. она обозначена как первое внутренне отражение) отразится внутри металла от его внутренней границы и пойдет назад к внешней границе, затухая по дороге на величину A. От внешней границы экрана произойдет второе внутренне отражение и тоже с затуханием А. И после этих внутренних отражений (понятно, что их может быть много, но из-за затухания в металле и слабого отражения они быстро уменьшаются и практическое значение имеет лишь первые два отражения) за экран выходит волна M. Она ухудшает экранирование (ясно, что если бы эта волна отсутствовала, поле за экраном было бы меньше).

Для упрощения понимания, представьте, что на рис. 4.2 изображен не металлический экран, а зеркальные темные солнцезащитные очки (тоже экран, в принципе). Большая часть солнечного света отражается от внешнего зеркально покрытия (R), а оставшаяся меньшая ослабляется темным стеклом (А).

Но вернемся к нашему металлическому экрану. Очевидно, что его эффективность будет:

                               (4.2)где:

SE – эффективность экранирования в дБ,

R – эффективность отражения от внешней поверхности экрана в дБ;

A – затухание волны при проходе сквозь стенку экрана в дБ;

M – проникновение волны за экран вследствие множественных внутренних отражений внутри стенки экрана. Тоже в дБ.

Все эти три параметра зависят от частоты F, толщины стенки экрана d, удельной проводимости металла экрана σ и его магнитной проницаемости μ.

Кроме этих четырех основных данных, в расчетах экранов используют еще пару зависимых (т.е. вычисляемых из основных) параметров, которые удобны на практике.

Первый из них, это удельная проводимость σ_r относительно меди. Показывает, во сколько раз данный материал проводит лучше или хуже, чем медь. Для меди σ_r = 1, для других металлов она соответственно больше или меньше.

Второй удобный параметр – глубина проникновения δ переменного ток в материал (её еще называют толщиной скин-слоя). Вычисляется по формуле:

                               (4.3)Физический смысл δ – глубина на которой в проводнике электромагнитное поле ослабляется в e = 2,718 раз. Как видно из формулы 4.3, толщина скин-слоя квадратично падает с ростом частоты и магнитной проницаемости. Вычисляя δ, не забывайте о частотной зависимости  μ вашего материала.

В таблице 4.1. приведены параметры основных материалов, используемых для экранирования.

Табл. 4.1

Материал	μ	σ	σr	δ, мкм на F = 1 MHz
Серебро	1	6,5•107	1,08	63,5
Медь	1	5,8•107	1	66
Алюминий	1	3,7•107	0,62	84
Латунь	1	1,5•107	0,26	130
Припой ПОС-60	1	7,1•106	0,12	190
Сталь (SAE1045)	1000	5,8•106	0,1	6,6

 

Автор: Эксперт НПЦ “СОТИС” И. Гончаренко, М. Купин.