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問題36:低頻磁場能屏蔽嗎?

發布時間︰2007-07-23   點擊次數︰

    低頻磁場很難屏蔽。磁力線可以穿透我們生活中常見的材料或物體(如木材、磚瓦、石塊、水泥等材料或人體、牆壁、樹木等物體),並基本上不因上述物體或材料的存在而產生畸變或消弱。

    為了描述帶電導線中的電流在周圍空間中產生磁場的大小,物理上引入了磁場強度的概念,它是一個矢量,一般用符號H表示,其單位是安培/米(A/m)。而單位磁場強度在周圍空間感應出磁通密度的大小(通常用磁感應強度B表示)是不同的,它取決于磁場閉合環路中各種介質的導磁能力。磁感應強度與磁場強度的關系為

B=μH=μrμ0H(3-1)

式中︰μ被稱為物質的磁導率;μ0被稱為真空磁導率,其值為4π×10-7H/m;μr稱為物質的相對磁導率。不同材料具有不同的磁導率。

    根據磁導率的大小,一般可以把材料分為弱磁性材料和強磁性材料兩大類。弱磁性材料包括順磁性材料和抗磁性材料;強磁性材料常見的為鐵磁材料、亞鐵磁材料。

    抗磁性材料在無外加磁場時對外不顯磁性,在外加磁場的作用下會產生一個同外加磁場方向相反的磁場。抗磁性材料的μr略小于1,這類材料如汞、銅、硫、金、銀、鋅、鉛等。順磁性材料在無外加磁場時幾乎不顯磁性,在外加磁場的作用下材料內的原子運動會產生一個同外加磁場方向相同的磁場。順磁性材料的μr略大于1,這類材料如錳、鉻、鉑、氮等。鐵磁材料在外加磁場時,材料內的原子在被稱為“交換耦合”的量子效應下,對外顯現出非常強烈的磁性,鐵磁材料主要是含鐵、鎳、鈷和稀有金屬釓、鋱等的材料。亞鐵磁性材料在外磁場作用下的磁性弱于鐵磁性材料,但其導電性能較鐵磁性材料強,亞鐵磁性材料有鐵氧體等。表3-9列出了一些材料的磁化特性。

表3-9  典型材料的磁性能

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    在相同的外加激勵(即相同的磁場強度)下,不同材料中磁感應強度不相同,磁場向相對磁導率大的物體集中,相對磁導率較大的材料中的磁感應強度較大。

    在實際中主要有兩種低頻磁場的屏蔽方法,即磁屏蔽方法和渦流屏蔽(也稱電磁屏蔽)方法。

    磁屏蔽方法的基本原理主要是利用具有高磁導率的磁性材料作為屏蔽材料,將一個局部空間利用高磁導率材料的殼體包裹起來,使磁場集中于殼體磁性材料內,而減弱殼體內部的空間磁場,從而實現屏蔽外界磁場的目的。這就是磁屏蔽方法的基本原理。

    為了說明磁屏蔽的效果,讓我們舉一個利用厚度1cm的球殼作為磁屏蔽的例子。設在均勻的恆定磁場B0中,放置一個內半徑a為1m、外半徑b為1.01m即厚度為1cm的鐵磁材料制作的球殼,鐵磁材料的相對磁導率為500。計算可知球殼內的磁場感應強度為

B=9/﹝2μr(1-a3/b3)﹞*B0=9/﹝2×500×1-13/1.013﹞*B0

                                =0.034B0                                      (3-2)

    可見,采用厚1cm的鐵磁材料作為磁屏蔽後,球殼內的磁場比未屏蔽時下降了97.6%。

    由上可見,除了少數實驗研究場合外,在實際工程環境中是絕不可能采用如此厚的鐵磁材料殼體將某個空間包裹起來的。文獻介紹了采取用鐵磁材料平板或角料組成不完整的遮蔽或隔離體,以削弱室內局部空間中外界磁場的研究結果。結果表明,采用厚2mm的鋼板(尺寸約4m×3m)或高導磁性的 鋼片(厚0.35mm,雙層),只可能使室內局部空間中磁感應強度比外界分別降低10%和20%。

    渦流屏蔽方法的基本原理主要是利用導電材料中感應的渦電流(簡稱渦流)產生的反向磁場來抑制外磁場,實現減小低頻磁場的目的。

    圖3-16給出了渦流屏蔽原理的示意圖,從圖中可以看出,交變磁場在金屬殼體感應出渦流。渦流將趨向于抵消外磁場的作用,即表現出抗磁性,從而使金屬殼體中被保護空間的磁場較沒有殼體時大大降低。

圖3-16  渦流屏蔽原理示意圖

圖3-17  金屬板對外磁場的衰減

    圖3-17說明了交變磁場在金屬板中的衰減情況。通過計算金屬板內部不同深度處的磁場隨與金屬板表面的距離(z)的增加而逐漸減少,其數學表達式為

H=H0e-z/δ

其中,δ稱為金屬板的集膚深度,可以通過下式進行計算,即

δ=﹝1/(πfσμ0μr)﹞1/2

其中,f表示交變磁場的變化頻率,σ是金屬板的電導率。利用上述公式可以得出,從金屬板表面到一個集膚深度處的磁場大小為

H=H0e-1=0.368H0

即在金屬板內的集膚深度處,磁場衰減到沒有金屬板時的36.8%。表3-10給出了三種不同材料在不同頻率時的集膚深度。

表3-10  常用材料的集膚深度          mm

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    由表3-10可見,利用金屬屏蔽的渦流效應屏蔽磁場的作用也是很有限的。以鋁板為例,對50Hz磁場,屏蔽鋁板厚度達12mm時,磁場才可被削弱至外界強度的36.8%。

    文獻對室內屋頂與隔牆采用厚3mm的鋁板(尺寸為2m×2.8m),基本未見任何屏蔽效果,僅在將鋁板與高磁性材料結合,並在室內全方位組成復雜的兼有磁屏蔽和渦流屏蔽的屏蔽結構時,室內磁場才可降至外界磁場的36%∼85%,就其效果而言,代價是很昂貴的。

    為了實現有效的屏蔽,需要進行復雜的設計和計算。由于需要使用昂貴的材料(如銅、鐵氧體等),所以高性能的屏蔽室一般非常昂貴。目前僅在科研、醫療或在電磁干擾對特殊設備產生影響的少數場合使用。圖3-18給出了一個實際磁屏蔽室的照片。

圖3-18  實際磁屏蔽室

(a) 建設中的磁屏蔽室;(b) 使用中的磁屏蔽室