Экранирование и высокочастотный нагрев металлических деталей и несовершенных диэлектриков

Явление затухания электромагнитной волны в поверхностном слое металла используется для экранирования в переменном электромагнитном поле.

Электромагнитные экраны представляют собой полые цилиндрические, сферические или прямоугольные оболочки, внутрь которых помещается экранируемое устройство (например, катушка индуктивности, измерительный прибор и т. п.).

Экран выполняет две функции. Во-первых, он защищает устройство, заключенное в экран, от влияния внешнего по отношению к экрану электромагнитного поля. Во-вторых, он защищает внешнее по отношению к экрану пространство от электромагнитного поля, создаваемого устройством, заключенным в экран.

Поскольку на расстоянии, равном длине волны в металле, электромагнитная волна почти полностью затухает, для хорошей экранировки толщина стенки экрана должна быть примерно равна длине волны в металле. Практически приходится учитывать и другие факторы (механическую прочность экрана, его стоимость и т. д.).

Сравним принципы экранирования в электростатическом, магнитном и электромагнитном полях.

Электростатическое экранирование основано на компенсации внешнего поля полем зарядов, выявившихся на стенках экрана вследствие электростатической индукции.

Толщина стенок экрана при электростатическом экранировании, в отличие от экранирования в магнитном и электромагнитном полях, может быть сколь угодно малой.

Экранирование в магнитном поле постоянного тока основано на том, что силовые линии магнитного поля преимущественно проходят по участкам с меньшим магнитным сопротивлением (по стенкам экрана).

Экранирование в электромагнитном поле основано на том, что электромагнитная волна, проникающая в стенки экрана, быстро затухает, расходуя энергию на покрытие потерь, обусловленных вихревыми токами в стенках экрана.

Нагрев металлических деталей перед ковкой и штамповкой, сушка древесины, наплавка и реставрация инструментов часто проводятся путем помещения этих предметов (деталей) в электромагнитное поле сравнительно невысокой частоты (1—20 кГц). Стальные изделия (например, валы, шестеренки) часто подвергают поверхностной закалке путем помещения их в электромагнитное поле более высокой частоты (10—500 кГц).

Как известно, электромагнитная волна, проникая в толщу металла, быстро затухает. Поэтому теплота выделяется практически лишь в относительно тонком поверхностном слое стального изделия. Под действием тепла, выделившегося в поверхностном слое, последний быстро разогревается до температуры, необходимой для поверхностной закалки.

Область еще более высоких частот (1—20 МГц) используется для высокочастотного нагрева пластмасс перед штамповкой, термической обработки пищевых продуктов, вулканизации резины и других целей.

Вопросы и задания для самопроверки

• 1. Какова скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрике?
• 2. Какова скорость распространения электромагнитной волны в проводящей среде?
• 3. От чего зависит волновое сопротивление в диэлектрике?
• 4. Сравните принципы экранирования в электростатическом и электромагнитном полях.
• 5. Какой угол в пространстве составляют векторы? и Я падающей волны и на какой угол смещены во времени их мгновенные значения?
• 7. Во сколько раз модуль вектора П падающей волны на поверхности больше, чем модуль вектора П на глубине проникновения?