Анализ физических процессов при магнитостатистическом экранировании как способа НКЗИ

Внешнее поле, создаваемое проводником, компенсируют друг друга во всех токах внутри тела проводника. Этим и объясняется распределение зарядов только на поверхности проводника. Внутри проводника поле отсутствует. Так упрощенно выглядит один из примеров явления электростатической индукции. Этим явлением пользуется для осуществления электростатического экранирования (рис. 2.1).

Рис. 2.

1. Наложение электрического поля проводника В самом деле, поскольку всюду внутри металлического тела поле равно нулю, то достаточно поместить в его внутренней полости устройство, подверженное влиянию электростатического поля и тем самым исключить влияние поля на это устройство. В этом случае эффективность экранирования оказывается независимой ни от формы экрана, ни от толщины его стенок, ни от металла, из которого он изготовлен.

Поместим заряд +q в центре сферической металлической оболочки (рис. 2.2).

Рис. 2.

2. Заряд в центре металлической оболочки.

На внутренней поверхности оболочки возникают заряды -q, а на внешней — +q, и экран оказывается не эффективным. Однако, если теперь подключить металлическую оболочку к земле (к корпусу) (рис. 2.3), то это приведет к тому, что заряды, находящиеся на внешней поверхности оболочки, стекут на корпус, т.к. он обладает очень большой емкостью, вне оболочки поле окажется равным нулю.

Рис. 2.

3. Заземленная металлическая оболочка.

Таким образом электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора). Заземление электростатического экрана, как видно, является необходимым элементом, вытекающим из сущности, электростатического экранирования. Без заземления электростатический экран почти полностью теряет свою эффективность. Обращает на себя внимание то, что при наличии зарядов как на внутренней, так и внешней поверхностях экрана поле внутри экрана определяется только внутренними зарядами и совершенно не зависит от внешних. Физически это влияние обусловлено появлением индуцированных зарядов, на внешней поверхности, влияние которых может быть нейтрализовано отводом их в землю. Следовательно, с помощью заземления электростатического экрана можно добиться взаимного экранирования как внутреннего пространства экрана от внешнего поля, так и внешнего пространства от внутреннего поля.

Если металлический экран полностью компенсирует влияние электростатического поля, то использование диэлектрических экранов может ослабить поле в Er раз, где Er — относительная диэлектрическая проницаемость материала, т.к. из поля свободных зарядов вычитается поле поляризационно-связных зарядов.

Поместим в поле 2-х параллельных металлических пластин диэлектрик. Под влиянием сил электростатического поля диэлектрик поляризуется: нейтральные в электрическом отношении молекулы диэлектрика превращаются в электрические диполи, а диполи, уже имеющиеся в диэлектрике, поворачиваются осями в направлении действия сил поля, образуя на боковых поверхностях электрические заряды. При этом на одной стороне диэлектрика образуется поверхностный отрицательный заряд, а на второй — положительный. Эти связанные электрические заряды диэлектрика создают в нем собственное поле, направленное на встречу внешнему, что приводит к уменьшению результирующего электростатического поля в диэлектрике. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше его величина связанных электрических зарядов и тем слабее в нем результирующее электростатическое поле. Теперь представим себе, что источник ЭДС является переменным, заряды на теле A (рис. 2.4) будут изменяться, а следовательно, будут изменяться и заряды, распределенные на внутренней поверхности экрана, которые в каждый момент времени будут стремиться иметь такую полярность, чтобы компенсировать поле тела A.

Рис. 2.

4. Тело, А с переменными зарядами внутри внутри металлического экрана.

В результате этих изменений по экрану потечет переменный ток. Компенсация поля в данном случае с помощью заземления не может быть полной, т.к. в результате появления тока в стенках экрана на них падает напряжение. Поэтому эффективность экранирования электрического поля в данном случае оказывается зависимой как от толщины стенок, так и от проводимости материала экрана. С увеличением толщены, и проводимости материала экрана остаточное поле за пределами экрана уменьшится, т.к. уменьшится падение напряжения на его стенках и одновременно возрастет эффективность экранирования. Экранирование электрических переменных полей по существу является задачей устранения паразитных емкостных связей. Использовать в конструкции миниатюрные радиоэлементы;

при недостаточности всех этих мер, между элементами устанавливают экран, служащий для экранирования электрического поля. Используя электростатический экран, важно, чтобы от хорошо был заземлен, т. е. соединен с корпусом. При этом применение проводников соединяющий экран с корпусом недопустимо.

Заключение

Физическая сущность электромагнитного экранирования, рассматриваемая с точки зрения теории электромагнитного поля и теории электрических цепей, сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках — токи, поля которых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю источника, а по направлению противоположны ему и поэтому происходит взаимная компенсация полей. Такое рассмотрение является упрощенным и природа электромагнитного экранирования гораздо сложнее.

С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще. Отражение электромагнитной энергии обусловлено несоответствием волновых характеристик диэлектрика, в котором расположен экран и материала экрана. Эффективность электрически замкнутого экрана т. е. способного ограничивать проникновение силовых линий электрического поля вне и внутри экранируемого пространства, определяется формулой:

(1)

где Эотр. — ослабление энергии падающей волн за счет отражения на границе сред, Эпогл. — ослабление вследствие затухания энергии в толще экрана, Эвн. отр. — ослабление из-за внутренних отражение в самом экране.

Расчет электромагнитных экранов с достаточной точностью пока возможен только в некоторых в идеализированных случаях. К ним относятся:

— бесконечно плоский экран на пути распространения плоской волны;

— размещение точечного источника в центре герметичного идеального проводящего экрана сферической формы;

— бесконечно длинный идеально проводящий цилиндр с излучателем в виде бесконечной нити, расположенной на оси этого цилиндра.

Все эти случаи не отражают реальных условий работы экрана, поскольку не учитывают соотношения между длиной волны и линейными размерами экрана, характера источника, неравномерности распределения поля внутри экрана, неоднородности материала и конструкции самого экрана и главным образом возможности проникновения поля через щели и отверстия, имеющиеся в реальном экране.

1. .Иродов. И. Е. Электромагнетизм 2000 г.

Справочник по физике. Курс общей физики том II.Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. 1996 г.

2. Савельев И. В Курс общей физики том II. Общий курс физики. Электричество.

3. Суханов А. Д. Фундаментальный курс физики Т.

2. 1998 Т.

3. Ч.

1.996

4.Сивухин Д. В. Общий курс физики. Электричество. 1996. Т.

3. Ч.

1.996г.

5. Яворский Б. М, Детлаф А. А. Справочник по физике 1996г