Permanente magneet magnetische veldafscherming, alternerende magnetische veldafscherming

Om de magnetische veldsterkte van een permanente magneet of een laagfrequent wisselend magnetisch veld met wisselstromen in een bepaald gebied van de ruimte te verminderen, gebruikt u magnetische afscherming… Vergeleken met een elektrisch veld, dat vrij gemakkelijk wordt afgeschermd door de applicatie Faraday-cellenkan het magnetische veld niet volledig worden afgeschermd, het kan alleen op een bepaalde plaats enigszins worden afgezwakt.

In de praktijk worden ten behoeve van wetenschappelijk onderzoek, in de geneeskunde, in de geologie, in sommige technische gebieden die verband houden met ruimtevaart en kernenergie, vaak zeer zwakke magnetische velden afgeschermd, inductie die zelden groter is dan 1 nT.

We hebben het over zowel permanente magnetische velden als variabele magnetische velden over een breed frequentiebereik. De inductie van het aardmagnetisch veld is bijvoorbeeld gemiddeld niet hoger dan 50 μT; zo'n veld, samen met hoogfrequente ruis, is gemakkelijker te verzwakken door magnetische afscherming.

Als het gaat om het afschermen van magnetische strooivelden in vermogenselektronica en elektrotechniek (permanente magneten, transformatoren, hoogstroomcircuits), is het vaak voldoende om eenvoudigweg een aanzienlijk deel van het magnetische veld te lokaliseren in plaats van te proberen het volledig te elimineren. Ferromagnetisch schild — voor het afschermen van permanente en laagfrequente magnetische velden

De eerste en gemakkelijkste manier om het magnetische veld te beschermen is het gebruik van een ferromagnetisch schild (lichaam) in de vorm van een cilinder, plaat of bol. Het materiaal van zo'n schaal moet hebben hoge magnetische permeabiliteit En lage dwangkracht.

Wanneer zo'n afscherming in een extern magnetisch veld wordt geplaatst, blijkt de magnetische inductie in de ferromagneet van de afscherming zelf sterker te zijn dan binnen het afgeschermde gebied, waar de inductie navenant lager zal zijn.

Laten we eens kijken naar een voorbeeld van een scherm in de vorm van een holle cilinder.

De figuur laat zien dat de inductielijnen van het externe magnetische veld dat de wand van het ferromagnetische scherm binnendringt, binnenin en direct in de cilinderholte verdikt zijn, daarom zullen de inductielijnen meer ijl zijn. Dat wil zeggen, het magnetische veld in de cilinder zal minimaal blijven. Voor de hoogwaardige uitvoering van het gewenste effect worden ferromagnetische materialen met een hoge magnetische permeabiliteit gebruikt, zoals permaloïde of mu-metaal.

Trouwens, simpelweg de wand van het scherm dikker maken is niet de beste manier om de kwaliteit te verbeteren.Veel effectiever zijn meerlagige ferromagnetische afschermingen met openingen tussen de lagen die de afscherming vormen, waarbij de afschermingscoëfficiënt gelijk zal zijn aan het product van de afschermingscoëfficiënten voor de afzonderlijke lagen - de afschermingskwaliteit van een meerlagige afscherming zal beter zijn dan het effect van een doorlopende laag met een dikte gelijk aan de som van de bovenste lagen.

Dankzij de meerlaagse ferromagnetische schermen is het mogelijk om magnetisch afgeschermde ruimtes te creëren voor diverse studies. De buitenste lagen van dergelijke schermen zijn in dit geval gemaakt van ferromagneten, die verzadigen bij hoge inductiewaarden, terwijl hun binnenste lagen van mu-metaal, permaloïde, metglas, enz. - van ferromagneten die verzadigen bij lagere waarden van magnetische inductie.

Koperen schild — om wisselende magnetische velden af ​​te schermen

Als het nodig is om een ​​wisselend magnetisch veld af te schermen, worden materialen met een hoge elektrische geleidbaarheid gebruikt, zoals Honing.

In dit geval zal het veranderende externe magnetische veld inductiestromen in het geleidende scherm induceren, die de ruimte van het beschermde volume zullen bedekken, en de richting van de magnetische velden van deze inductiestromen in het scherm zal tegengesteld zijn aan het externe magnetische veld , waarvan de bescherming aldus is geregeld. Daarom wordt het externe magnetische veld gedeeltelijk gecompenseerd.

Bovendien, hoe hoger de frequentie van de stromen, hoe hoger de afschermingscoëfficiënt. Daarom zijn ferromagnetische schermen het meest geschikt voor lagere frequenties en nog meer voor constante magnetische velden.

De zeefcoëfficiënt K, afhankelijk van de frequentie van het wisselende magnetische veld f, de grootte van het scherm L, de geleidbaarheid van het zeefmateriaal en de dikte d, kan bij benadering worden gevonden met de formule:

Toepassing van supergeleidende schermen

Zoals je weet, is een supergeleider in staat om het magnetische veld volledig van zichzelf weg te schuiven. Dit fenomeen staat bekend als Meissner-effect… Volgens Regel van Lenz, elke verandering in het magnetische veld in de supergeleider genereert inductiestromen die met hun magnetische velden de verandering in het magnetische veld in de supergeleider compenseren.

Als we het vergelijken met een gewone geleider, dan verzwakken in een supergeleider de inductiestromen niet en kunnen daarom een ​​oneindig (theoretisch) lange tijd een compenserend magnetisch effect uitoefenen.

De nadelen van de methode kunnen worden beschouwd als de hoge kosten, de aanwezigheid van een resterend magnetisch veld in het scherm dat er was vóór de overgang van het materiaal naar een supergeleidende toestand, evenals de gevoeligheid van de supergeleider voor temperatuur. In dit geval kan de kritische magnetische inductie voor supergeleiders tientallen tesla bereiken.

Afschermingsmethode met actieve compensatie

Om het externe magnetische veld te verminderen, kan specifiek een extra magnetisch veld worden gecreëerd dat even groot is maar tegengesteld is aan het externe magnetische veld waartegen een bepaald gebied moet worden afgeschermd.

Dit wordt bereikt door implementatie speciale compensatiespoelen (Helmholtz-spoelen) - een paar identieke coaxiaal geplaatste stroomvoerende spoelen die gescheiden zijn door een afstand van de spoelradius. Tussen dergelijke spoelen ontstaat een vrij uniform magnetisch veld.

Om compensatie te bereiken voor het volledige volume van een bepaald gebied, hebt u ten minste zes van dergelijke spoelen nodig (drie paar), die zijn geplaatst in overeenstemming met een specifieke taak.

Typische toepassingen voor een dergelijk compensatiesysteem zijn bescherming tegen laagfrequente storingen veroorzaakt door elektrische netwerken (50 Hz), evenals afscherming van het aardmagnetisch veld.

Systemen van dit type werken meestal in combinatie met magnetische veldsensoren. In tegenstelling tot magnetische schilden, die het magnetische veld verminderen samen met de ruis in het gehele volume dat wordt begrensd door het schild, maakt actieve bescherming met behulp van compensatiespoelen het mogelijk om magnetische storingen alleen te elimineren in het lokale gebied waarop het is afgestemd.

Ongeacht het ontwerp van het antimagnetische interferentiesysteem, elk van hen heeft antitrillingsbescherming nodig, aangezien de trillingen van het scherm en de sensor bijdragen aan het genereren van extra magnetische interferentie van het trillende scherm zelf.