Μόνιμη θωράκιση μαγνητικού πεδίου, θωράκιση εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου

Για να μειώσετε την ένταση του μαγνητικού πεδίου ενός μόνιμου μαγνήτη ή ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου χαμηλής συχνότητας με εναλλασσόμενα ρεύματα σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου, χρησιμοποιήστε μαγνητική θωράκιση… Σε σύγκριση με ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο θωρακίζεται αρκετά εύκολα από την εφαρμογή Κύτταρα Faraday, το μαγνητικό πεδίο δεν μπορεί να ελεγχθεί πλήρως, μπορεί μόνο να εξασθενήσει σε κάποιο βαθμό σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία.

Στην πράξη, για σκοπούς επιστημονικής έρευνας, στην ιατρική, στη γεωλογία, σε ορισμένους τεχνικούς τομείς που σχετίζονται με το διάστημα και την πυρηνική ενέργεια, συχνά θωρακίζονται πολύ ασθενή μαγνητικά πεδία, επαγωγή που σπάνια ξεπερνά το 1 nT.

Μιλάμε τόσο για μόνιμα μαγνητικά πεδία όσο και για μεταβλητά μαγνητικά πεδία σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου της Γης, για παράδειγμα, δεν υπερβαίνει τα 50 μT κατά μέσο όρο. Ένα τέτοιο πεδίο, μαζί με τον θόρυβο υψηλής συχνότητας, είναι πιο εύκολο να εξασθενήσει με μαγνητική θωράκιση.

Όταν πρόκειται για θωράκιση αδέσποτων μαγνητικών πεδίων στα ηλεκτρονικά ισχύος και στην ηλεκτρική μηχανική (μόνιμοι μαγνήτες, μετασχηματιστές, κυκλώματα υψηλού ρεύματος), είναι συχνά αρκετό να εντοπίζουμε απλώς ένα σημαντικό μέρος του μαγνητικού πεδίου αντί να προσπαθείτε να το εξαλείψετε εντελώς. Σιδηρομαγνητική ασπίδα — για θωράκιση μόνιμων και μαγνητικών πεδίων χαμηλής συχνότητας

Ο πρώτος και ευκολότερος τρόπος προστασίας του μαγνητικού πεδίου είναι η χρήση σιδηρομαγνητικής ασπίδας (σώματος) με τη μορφή κυλίνδρου, φύλλου ή σφαίρας. Το υλικό ενός τέτοιου κελύφους πρέπει να έχει υψηλή μαγνητική διαπερατότητα και χαμηλή καταναγκαστική δύναμη.

Όταν μια τέτοια ασπίδα τοποθετείται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η μαγνητική επαγωγή στον σιδηρομαγνήτη της ίδιας της ασπίδας αποδεικνύεται ισχυρότερη από ό,τι μέσα στη θωρακισμένη περιοχή, όπου η επαγωγή θα είναι αντίστοιχα χαμηλότερη.

Ας εξετάσουμε ένα παράδειγμα οθόνης με τη μορφή κοίλου κυλίνδρου.

Το σχήμα δείχνει ότι οι γραμμές επαγωγής του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου που διεισδύουν στο τοίχωμα της σιδηρομαγνητικής οθόνης παχύνονται μέσα σε αυτό και απευθείας στην κοιλότητα του κυλίνδρου, επομένως οι γραμμές επαγωγής θα είναι πιο σπάνιες. Δηλαδή, το μαγνητικό πεδίο μέσα στον κύλινδρο θα παραμείνει ελάχιστο. Για την υψηλής ποιότητας απόδοση του απαιτούμενου αποτελέσματος, χρησιμοποιούνται σιδηρομαγνητικά υλικά με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, όπως π.χ. permaloid ή mu-metal.

Παρεμπιπτόντως, η απλή πάχυνση του τοίχου της οθόνης δεν είναι ο καλύτερος τρόπος για να βελτιώσετε την ποιότητά της.Πολύ πιο αποτελεσματικές είναι οι πολυστρωματικές σιδηρομαγνητικές ασπίδες με κενά μεταξύ των στρωμάτων που αποτελούν την ασπίδα, όπου ο συντελεστής θωράκισης θα είναι ίσος με το γινόμενο των συντελεστών θωράκισης για τα μεμονωμένα στρώματα — η ποιότητα θωράκισης μιας πολυστρωματικής θωράκισης θα είναι καλύτερη από την επίδραση του ένα συνεχές στρώμα με πάχος ίσο με το άθροισμα των ανώτερων στρωμάτων.

Χάρη στις πολυεπίπεδες σιδηρομαγνητικές οθόνες, είναι δυνατό να δημιουργηθούν μαγνητικά θωρακισμένα δωμάτια για διάφορες μελέτες. Τα εξωτερικά στρώματα τέτοιων οθονών κατασκευάζονται στην περίπτωση αυτή από σιδηρομαγνήτες, οι οποίοι κορεσθούν σε υψηλές τιμές επαγωγής, ενώ τα εσωτερικά τους στρώματα είναι από mu metal, permaloid, metglass κ.λπ. — από σιδηρομαγνήτες που κορεσθούν σε χαμηλότερες τιμές μαγνητικής επαγωγής.

Χάλκινη θωράκιση — για προστασία εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων

Εάν είναι απαραίτητο να θωρακιστεί ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, τότε χρησιμοποιούνται υλικά με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, όπως π.χ μέλι.

Σε αυτή την περίπτωση, το μεταβαλλόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο θα προκαλέσει επαγωγικά ρεύματα στην αγώγιμη οθόνη, η οποία θα καλύψει τον χώρο του προστατευμένου όγκου και η κατεύθυνση των μαγνητικών πεδίων αυτών των επαγωγικών ρευμάτων στην οθόνη θα είναι αντίθετη από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο , η προστασία από την οποία διαρρυθμίζεται έτσι. Επομένως, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο θα αντισταθμιστεί μερικώς.

Επιπλέον, όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα των ρευμάτων, τόσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής θωράκισης. Αντίστοιχα, για χαμηλότερες συχνότητες και ακόμη περισσότερο για σταθερά μαγνητικά πεδία, οι σιδηρομαγνητικές οθόνες είναι οι πλέον κατάλληλες.

Ο συντελεστής κοσκίνισης K, ανάλογα με τη συχνότητα του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου f, το μέγεθος της οθόνης L, την αγωγιμότητα του υλικού του κόσκινου και το πάχος του d, μπορεί να βρεθεί κατά προσέγγιση με τον τύπο:

Εφαρμογή υπεραγώγιμων οθονών

Όπως γνωρίζετε, ένας υπεραγωγός είναι σε θέση να μετατοπίσει εντελώς το μαγνητικό πεδίο μακριά από τον εαυτό του. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως Εφέ Meissner… Σύμφωνα με Ο κανόνας του Lenz, οποιαδήποτε αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο στον υπεραγωγό παράγει ρεύματα επαγωγής τα οποία, με τα μαγνητικά τους πεδία, αντισταθμίζουν την αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο στον υπεραγωγό.

Αν το συγκρίνουμε με έναν συνηθισμένο αγωγό, τότε σε έναν υπεραγωγό τα ρεύματα επαγωγής δεν εξασθενούν και επομένως μπορούν να ασκήσουν αντισταθμιστικό μαγνητικό αποτέλεσμα για άπειρα (θεωρητικά) μεγάλο χρονικό διάστημα.

Στα μειονεκτήματα της μεθόδου μπορεί να θεωρηθεί το υψηλό κόστος της, η παρουσία υπολειπόμενου μαγνητικού πεδίου μέσα στην οθόνη που υπήρχε πριν από τη μετάβαση του υλικού σε υπεραγώγιμη κατάσταση, καθώς και η ευαισθησία του υπεραγωγού στη θερμοκρασία. Σε αυτή την περίπτωση, η κρίσιμη μαγνητική επαγωγή για υπεραγωγούς μπορεί να φτάσει δεκάδες Τέσλα.

Μέθοδος θωράκισης με ενεργή αντιστάθμιση

Προκειμένου να μειωθεί το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, μπορεί να δημιουργηθεί ειδικά ένα πρόσθετο μαγνητικό πεδίο ίσο σε μέγεθος αλλά αντίθετο ως προς την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου από το οποίο πρόκειται να θωρακιστεί μια συγκεκριμένη περιοχή.

Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της εφαρμογής ειδικά πηνία αντιστάθμισης (πηνία Helmholtz) — ένα ζεύγος πανομοιότυπων ομοαξονικά διατεταγμένων πηνίων μεταφοράς ρεύματος που χωρίζονται από μια απόσταση της ακτίνας του πηνίου. Ένα αρκετά ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο προκύπτει μεταξύ τέτοιων πηνίων.

Για να επιτύχετε αντιστάθμιση για ολόκληρο τον όγκο μιας δεδομένης περιοχής, χρειάζεστε τουλάχιστον έξι τέτοια πηνία (τρία ζεύγη), τα οποία τοποθετούνται σύμφωνα με μια συγκεκριμένη εργασία.

Τυπικές εφαρμογές για ένα τέτοιο σύστημα αντιστάθμισης είναι η προστασία από διαταραχές χαμηλής συχνότητας που δημιουργούνται από ηλεκτρικά δίκτυα (50 Hz), καθώς και η θωράκιση του μαγνητικού πεδίου της γης.

Συνήθως, συστήματα αυτού του τύπου λειτουργούν σε συνδυασμό με αισθητήρες μαγνητικού πεδίου. Σε αντίθεση με τις μαγνητικές ασπίδες, που μειώνουν το μαγνητικό πεδίο μαζί με το θόρυβο σε ολόκληρη την ένταση που οριοθετείται από την ασπίδα, η ενεργή προστασία με πηνία αντιστάθμισης επιτρέπει την εξάλειψη των μαγνητικών διαταραχών μόνο στην τοπική περιοχή στην οποία είναι συντονισμένη.

Ανεξάρτητα από τη σχεδίαση του συστήματος αντιμαγνητικών παρεμβολών, καθένα από αυτά χρειάζεται αντικραδασμική προστασία, καθώς οι δονήσεις της οθόνης και του αισθητήρα συμβάλλουν στη δημιουργία πρόσθετων μαγνητικών παρεμβολών από την ίδια την οθόνη δόνησης.