電磁屏蔽原理
抑制以場的形式造成干擾的有效方法是電磁屏蔽。所謂電磁屏蔽,就是以某種材料(導(dǎo)電或?qū)Т挪牧希┲瞥傻钠帘螝んw(實(shí)體的或非實(shí)體的)將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來,形成電磁隔離,即其內(nèi)的電磁場不能越出這一區(qū)域,而外來的輻射電磁場不能進(jìn)入這一區(qū)域(或者進(jìn)出該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減)。
電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能流的反射、吸收和引導(dǎo)作用。而這些作用是與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)的。
1電磁屏蔽的類型
電磁屏蔽按其屏蔽原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。電場屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽;磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽。電磁屏蔽的類型如圖1所示。
圖1 電磁屏蔽的類型
2靜電屏蔽
電磁場理論表明,置于靜電場中的導(dǎo)體在靜電平衡的條件下,具有下列性質(zhì):
?、賹?dǎo)體內(nèi)部任何一點(diǎn)的電場為零;
②導(dǎo)體表面任何一點(diǎn)的電場強(qiáng)度矢量的方向與該點(diǎn)的導(dǎo)體表面垂直;
?、壅麄€(gè)導(dǎo)體是一個(gè)等位體;
?、軐?dǎo)體內(nèi)部沒有靜電荷存在,電荷只能分部在導(dǎo)體的表面上。
靜電屏蔽必須具有兩個(gè)基本要求:完整的屏蔽導(dǎo)體和良好的接地。
3高頻磁場的屏蔽
高頻磁場的屏蔽采用的是低電阻率的良導(dǎo)體材料,例如銅、鋁等,其屏蔽原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面所產(chǎn)生的渦流的反磁場來達(dá)到屏蔽的目的,也就是說,利用了渦流反磁場對(duì)原騷擾磁場的排斥作用來抑制或抵消屏蔽體外的磁場。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,閉合回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于穿過該回路的磁通量的時(shí)變化,即感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通方向與原來磁通的變化方向相反。應(yīng)用楞次定律可以判斷感應(yīng)變率。根據(jù)楞次定律,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引起感應(yīng)電流,感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通要阻止原來磁通的如圖2所示,當(dāng)高頻磁場穿過金屬板時(shí),在金屬板中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而形成渦流。金屬板中的渦流電流產(chǎn)生的反向磁場將抵消穿過金屬板的原磁場,這就是感應(yīng)渦流產(chǎn)生的反磁場對(duì)原磁場的排斥作用。同時(shí),感應(yīng)渦流產(chǎn)生的反磁場增強(qiáng)了金屬板側(cè)面的磁場,使磁力線在金屬板側(cè)面繞行而過。
圖2 渦流效應(yīng)
4電磁屏蔽
通常所說的屏蔽,一般指的是電磁屏蔽,即是指對(duì)電場和磁場同時(shí)加以屏蔽。電磁屏蔽般也是指用來防止高頻電磁場的影響的。
在交變場中,電場分量和磁場分量總是同時(shí)存在的,只是在頻率較低的范圍內(nèi),干擾一般發(fā)生在近場,而近場中隨著干擾源的特性不同,電場分量和磁場分量有很大差別。高壓低電流源以電場為主,磁場分量可以忽略,這時(shí)就可以只考慮電場的屏蔽。而低壓大電流干擾源則以磁場為主,電場分量可以忽略,這時(shí)就可以只考慮磁場屏蔽。
隨著頻率增高,電磁輻射能力增加,產(chǎn)生輻射電磁場,并趨向于遠(yuǎn)場干擾,遠(yuǎn)場中的電場、磁場均不能忽略,因而就要對(duì)電場和磁場同時(shí)屏蔽即電磁屏蔽。高頻時(shí)即使在設(shè)備內(nèi)部也可能出現(xiàn)遠(yuǎn)場干擾,因此需要電磁屏蔽。
如前所述,采用良導(dǎo)電材料,就能同時(shí)具有對(duì)電場和磁場(高頻)屏蔽的作用。由于高頻集膚效應(yīng),對(duì)于良導(dǎo)體而言其集膚深度很小,因此電磁屏蔽體無需做得很厚,其厚度僅由工藝結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能決定便可。
當(dāng)頻率在500kHz~30MHz范圍內(nèi),屏蔽材料可選用鋁;而當(dāng)頻率大于30MHz,則可選用鋁、銅、銅鍍銀等。
值得注意的是,電磁屏蔽在完成電磁隔離的同時(shí),可能會(huì)給屏蔽體內(nèi)的場源或保護(hù)對(duì)象帶來一些不良影響。若屏蔽體內(nèi)是接在電壓源上的線圈,則電壓源所產(chǎn)生的電流隨著屏蔽體的出現(xiàn)而改變,這是由于線圈產(chǎn)生的場在屏蔽體內(nèi)表面上感應(yīng)出電流及電荷,這些電流和電荷產(chǎn)生的二次場反作用于線圈上,在線圈中產(chǎn)生附加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),該附加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使線圈中的電流發(fā)生改變。
若屏蔽體內(nèi)是無源的線圈閉合電路,則在外部場感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下,電路內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。改變外場使有屏蔽及無屏蔽的電動(dòng)勢(shì)保持不變,在這兩種情況下,線圈中的電流是不同的,這是因?yàn)榫€圈中電流產(chǎn)生的場作用于屏蔽體,屏蔽體上電流、電荷產(chǎn)生的二次場反作用于線圈,或者說屏蔽體把復(fù)阻抗引入線圈內(nèi),從而改變了線圈中的電流。如果把線圈與外電路斷開,使線圈內(nèi)電流始終為零而不產(chǎn)生電磁場,這時(shí)屏蔽體只起電磁隔作用而對(duì)其內(nèi)的線圈無影響。