Elektromagnetische Abschirmung - Electromagnetic shielding

Elektromagnetische Abschirmkäfige in einem zerlegten Mobiltelefon .

In der Elektrotechnik ist die elektromagnetische Abschirmung die Praxis, das elektromagnetische Feld in einem Raum zu reduzieren, indem das Feld mit Barrieren aus leitenden oder magnetischen Materialien blockiert wird. Abschirmungen werden normalerweise an Gehäusen angebracht, um elektrische Geräte von ihrer Umgebung zu isolieren , und an Kabeln , um Drähte von der Umgebung zu isolieren, durch die das Kabel verläuft. Elektromagnetische Abschirmung blockiert Radiofrequenz (RF) elektromagnetische Strahlung ist auch bekannt als HF - Abschirmung .

Die Abschirmung kann die Kopplung von Funkwellen, elektromagnetischen Feldern und elektrostatischen Feldern verringern . Ein leitfähiges Gehäuse zur Blockierung elektrostatischer Felder wird auch als Faradayscher Käfig bezeichnet . Das Ausmaß der Reduktion hängt sehr stark vom verwendeten Material, seiner Dicke, der Größe des abgeschirmten Volumens und der Häufigkeit der interessierenden Felder sowie der Größe, Form und Ausrichtung der Löcher in einer Abschirmung gegenüber einem einfallenden elektromagnetischen Feld ab.

Verwendete Materialien

Typische Materialien, die zur elektromagnetischen Abschirmung verwendet werden, umfassen Blech , Metallgitter und Metallschaum . Übliche Bleche zur Abschirmung umfassen Kupfer, Messing, Nickel, Silber, Stahl und Zinn. Die Wirksamkeit der Abschirmung, dh wie gut eine Abschirmung elektromagnetische Strahlung reflektiert oder absorbiert / unterdrückt, wird durch die physikalischen Eigenschaften des Metalls beeinflusst. Diese können Leitfähigkeit, Lötbarkeit, Permeabilität, Dicke und Gewicht umfassen. Die Eigenschaften eines Metalls spielen bei der Materialauswahl eine wichtige Rolle. Beispielsweise werden elektrisch dominante Wellen von hochleitenden Metallen wie Kupfer, Silber und Messing reflektiert, während magnetisch dominante Wellen von einem weniger leitenden Metall wie Stahl oder Edelstahl absorbiert / unterdrückt werden. Darüber hinaus müssen alle Löcher in der Abschirmung oder im Netz erheblich kleiner sein als die Wellenlänge der Strahlung, die ferngehalten wird, da sich das Gehäuse sonst einer ungebrochenen leitenden Oberfläche nicht effektiv annähert.

Eine andere häufig verwendete Abschirmmethode, insbesondere bei elektronischen Gütern, die in Kunststoffgehäusen untergebracht sind, besteht darin, das Innere des Gehäuses mit einer Metallic-Tinte oder einem ähnlichen Material zu beschichten. Die Tinte besteht aus einem Trägermaterial, das mit einem geeigneten Metall, typischerweise Kupfer oder Nickel , in Form sehr kleiner Partikel beladen ist . Es wird auf das Gehäuse gesprüht und erzeugt nach dem Trocknen eine durchgehende leitfähige Metallschicht, die elektrisch mit der Gehäusemasse des Geräts verbunden werden kann und so eine wirksame Abschirmung bietet.

Elektromagnetische Abschirmung ist der Vorgang des Absenkens des elektromagnetischen Feldes in einem Bereich durch Barrikadieren mit leitendem oder magnetischem Material. Kupfer wird zur Hochfrequenzabschirmung (RF) verwendet, da es Funk und andere elektromagnetische Wellen absorbiert . Richtig entworfene und konstruierte HF-Abschirmgehäuse erfüllen die meisten Anforderungen an die HF-Abschirmung, von Computer- und elektrischen Schalträumen bis hin zu CAT-Scan- und MRT- Einrichtungen in Krankenhäusern .

Beispielanwendungen

Querschnitt durch ein Koaxialkabel mit Abschirmung und anderen Schichten

Ein Beispiel ist ein abgeschirmtes Kabel , das eine elektromagnetische Abschirmung in Form eines Drahtgeflechts aufweist, das einen inneren Kernleiter umgibt. Die Abschirmung verhindert das Entweichen von Signalen aus dem Kernleiter und verhindert auch, dass Signale zum Kernleiter hinzugefügt werden. Einige Kabel haben zwei separate Koaxialschirme , von denen einer an beiden Enden und der andere nur an einem Ende angeschlossen ist, um die Abschirmung sowohl elektromagnetischer als auch elektrostatischer Felder zu maximieren.

In die Tür eines Mikrowellenofens ist ein Bildschirm im Fenster eingebaut. Aus der Sicht von Mikrowellen (mit Wellenlängen von 12 cm) beendet dieser Bildschirm einen Faradayschen Käfig , der durch das Metallgehäuse des Ofens gebildet wird. Sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm tritt leicht durch die Schirmlöcher.

Die HF-Abschirmung wird auch verwendet, um den Zugriff auf Daten zu verhindern, die auf RFID- Chips gespeichert sind, die in verschiedenen Geräten wie biometrischen Pässen eingebettet sind .

Die NATO legt eine elektromagnetische Abschirmung für Computer und Tastaturen fest, um eine passive Überwachung der Tastaturemissionen zu verhindern, die die Erfassung von Passwörtern ermöglichen würde. Verbrauchertastaturen bieten diesen Schutz nicht in erster Linie wegen der unerschwinglichen Kosten.

Die HF-Abschirmung wird auch zum Schutz von medizinischen Geräten und Laborgeräten verwendet, um Schutz vor Störsignalen wie AM, FM, TV, Rettungsdiensten, Versand, Pagern, ESMR, Mobilfunk und PCS zu bieten. Es kann auch zum Schutz der Geräte in den AM-, FM- oder TV-Sendeanlagen verwendet werden.

Ein weiteres Beispiel für die praktische Verwendung der elektromagnetischen Abschirmung wären Verteidigungsanwendungen. Mit der Verbesserung der Technologie steigt auch die Anfälligkeit für verschiedene Arten schändlicher elektromagnetischer Störungen. Die Idee, ein Kabel in eine geerdete leitende Barriere einzuschließen, kann diese Risiken mindern. Siehe Abgeschirmte Kabel und elektromagnetische Störungen .

Wie es funktioniert

Elektromagnetische Strahlung besteht aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Das elektrische Feld erzeugt Kräfte auf die Ladungsträger (dh Elektronen ) innerhalb des Leiters. Sobald ein elektrisches Feld an die Oberfläche eines idealen Leiters angelegt wird, induziert es einen Strom , der eine Ladungsverschiebung innerhalb des Leiters verursacht, die das angelegte Feld im Inneren aufhebt. An diesem Punkt stoppt der Strom. Weitere Erklärungen finden Sie im Faradayschen Käfig .

In ähnlicher Weise erzeugen variierende Magnetfelder Wirbelströme , die das angelegte Magnetfeld aufheben. (Der Leiter reagiert nicht auf statische Magnetfelder, es sei denn, der Leiter bewegt sich relativ zum Magnetfeld.) Das Ergebnis ist, dass elektromagnetische Strahlung von der Oberfläche des Leiters reflektiert wird: Interne Felder bleiben innen und externe Felder bleiben außen.

Mehrere Faktoren dienen dazu, die Abschirmfähigkeit realer HF-Abschirmungen zu begrenzen. Zum einen hebt das angeregte Feld aufgrund des elektrischen Widerstands des Leiters das einfallende Feld nicht vollständig auf. Außerdem zeigen die meisten Leiter eine ferromagnetische Reaktion auf niederfrequente Magnetfelder, so dass solche Felder vom Leiter nicht vollständig gedämpft werden. Löcher in der Abschirmung zwingen den Strom, um sie herum zu fließen, so dass Felder, die durch die Löcher gehen, keine entgegengesetzten elektromagnetischen Felder anregen. Diese Effekte verringern die Feldreflexionsfähigkeit der Abschirmung.

Im Fall von hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung nehmen die oben genannten Einstellungen eine nicht zu vernachlässigende Zeit in Anspruch, jedoch wird jede solche Strahlungsenergie, sofern sie nicht reflektiert wird, von der Haut absorbiert (es sei denn, sie ist extrem dünn). In diesem Fall gibt es also auch kein elektromagnetisches Feld im Inneren. Dies ist ein Aspekt eines größeren Phänomens, das als Hauteffekt bezeichnet wird . Ein Maß für die Tiefe, bis zu der Strahlung in den Schild eindringen kann, ist die sogenannte Hauttiefe .

Magnetische Abschirmung

Geräte müssen manchmal von externen Magnetfeldern isoliert werden. Für statische oder sich langsam ändernde Magnetfelder (unter etwa 100 kHz) ist die oben beschriebene Faraday-Abschirmung unwirksam. In diesen Fällen Schilde hoch gemacht magnetischen Permeabilität Metalllegierungen kann, wie beispielsweise Blätter verwendet werden , Permalloy und mu-Metall oder mit nanokristallinem ferromagnetischen Metallkornstruktur Beschichtungen. Diese Materialien blockieren nicht das Magnetfeld wie bei der elektrischen Abschirmung, sondern ziehen das Feld in sich hinein und bilden einen Pfad für die Magnetfeldlinien um das abgeschirmte Volumen. Die beste Form für magnetische Abschirmungen ist daher ein geschlossener Behälter, der das abgeschirmte Volumen umgibt. Die Wirksamkeit dieser Art der Abschirmung hängt von der Permeabilität des Materials ab, die im Allgemeinen sowohl bei sehr geringen Magnetfeldstärken als auch bei hohen Feldstärken, bei denen das Material gesättigt wird, abfällt . Um niedrige Restfelder zu erzielen, bestehen magnetische Abschirmungen häufig aus mehreren Gehäusen ineinander, von denen jedes das Feld in ihm sukzessive reduziert.

Aufgrund der oben genannten Einschränkungen der passiven Abschirmung ist eine aktive Abschirmung eine Alternative, die bei statischen oder niederfrequenten Feldern verwendet wird. Verwenden eines von Elektromagneten erzeugten Feldes , um das Umgebungsfeld innerhalb eines Volumens aufzuheben. Solenoids und Helmholtzspulen sind Arten von Spulen , die für diesen Zweck verwendet werden können.

Darüber hinaus können supraleitende Materialien über den Meissner-Effekt Magnetfelder ausstoßen .

Mathematisches Modell

Angenommen, wir haben eine Kugelschale aus einem (linearen und isotropen) diamagnetischen Material mit relativer Permeabilität , mit Innenradius und Außenradius . Wir setzen dieses Objekt dann in ein konstantes Magnetfeld:

Da dieses Problem außer möglichen gebundenen Strömen an den Grenzen des diamagnetischen Materials keine Ströme enthält, können wir ein magnetisches Skalarpotential definieren, das die Laplace-Gleichung erfüllt:

wo

In diesem speziellen Problem gibt es eine azimutale Symmetrie, so dass wir aufschreiben können, dass die Lösung der Laplace-Gleichung in sphärischen Koordinaten lautet:

Nach dem Anpassen der Randbedingungen

an den Grenzen (wo ist ein Einheitsvektor, der normal zu der Oberfläche ist, die von Seite 1 zu Seite 2 zeigt), stellen wir fest, dass das Magnetfeld innerhalb des Hohlraums in der Kugelschale ist:

Wo ist ein Dämpfungskoeffizient, der von der Dicke des diamagnetischen Materials und der magnetischen Permeabilität des Materials abhängt:

Dieser Koeffizient beschreibt die Wirksamkeit dieses Materials bei der Abschirmung des externen Magnetfelds von dem Hohlraum, den es umgibt. Beachten Sie, dass dieser Koeffizient in der Grenze angemessen auf 1 (keine Abschirmung) geht . In der Grenze, dass dieser Koeffizient auf 0 geht (perfekte Abschirmung). Wann nimmt der Dämpfungskoeffizient die einfachere Form an:

was zeigt, dass das Magnetfeld wie abnimmt .

Siehe auch

Verweise

Externe Links