As telas eletromagnéticas são amplamente utilizadas na indústria. Servem para eliminar os efeitos nocivos de alguns elementos de um dispositivo elétrico sobre outros, para proteger pessoal e equipamentos dos efeitos de campos externos que ocorrem durante a operação de outros dispositivos. A "extinção" do campo magnético externo é necessária na criação de laboratórios destinados a ajustes e testes de equipamentos de alta sensibilidade. Também é exigido na medicina e nas áreas da ciência onde a medição de campos com indução ultrabaixa é realizada; para proteger as informações durante sua transmissão por cabos.
Métodos
A blindagem de campo magnético é um conjunto de formas de reduzir a força de um campo constante ou alternado em uma determinada área do espaço. Um campo magnético, ao contrário de um campo elétrico, não pode ser completamente enfraquecido.
Na indústria, os campos dispersos de transformadores, ímãs permanentes, instalações e circuitos de alta corrente têm o maior impacto ambiental. Eles podem interromper completamente a operação normal de aparelhos vizinhos.
Mais usado 2método de proteção:
- O uso de telas feitas de materiais supercondutores ou ferromagnéticos. Isso é eficaz na presença de um campo magnético constante ou de baixa frequência.
- Método de compensação (amortecimento de correntes parasitas). As correntes parasitas são correntes elétricas em massa que ocorrem em um condutor quando o fluxo magnético muda. Este método mostra os melhores resultados para campos de alta frequência.
Princípios
Os princípios de blindagem do campo magnético são baseados nos padrões de propagação do campo magnético no espaço. Assim, para cada um dos métodos listados acima, eles são os seguintes:
- Se você colocar um indutor em um invólucro feito de ferroímã, as linhas de indução do campo magnético externo passarão pelas paredes da tela de proteção, pois ela tem menor resistência magnética em comparação com o espaço dentro dela. Essas linhas de força que são induzidas pela própria bobina também serão quase todas fechadas às paredes do invólucro. Para a melhor proteção neste caso, é necessário escolher materiais ferromagnéticos que possuam alta permeabilidade magnética. Na prática, as ligas de ferro são mais frequentemente usadas. Para aumentar a confiabilidade da tela, ela é feita de paredes grossas ou pré-fabricadas a partir de várias carcaças. As desvantagens deste projeto são seu peso, volume e deterioração da blindagem na presença de costuras e cortes nas paredes do invólucro.
- No segundo método, o enfraquecimento do campo magnético externoocorre como resultado da imposição de outro campo sobre ele, induzido por correntes parasitas do anel. Sua direção é oposta às linhas de indução do primeiro campo. À medida que a frequência aumenta, a atenuação será mais pronunciada. Neste caso, placas na forma de um anel de condutores com baixa resistividade são usadas para blindagem. Caixas cilíndricas feitas de cobre ou alumínio são mais frequentemente usadas como invólucros de tela.
Principais recursos
Existem 3 características principais para descrever o processo de blindagem:
- Profundidade de penetração do campo magnético equivalente. Então vamos continuar. Esta figura é usada para o efeito de blindagem de correntes parasitas. Quanto menor o seu valor, maior a corrente que flui nas camadas superficiais do invólucro de proteção. Assim, quanto maior o campo magnético induzido por ele, que desloca o externo. A profundidade equivalente é determinada pela fórmula abaixo. Nesta fórmula, ρ e Μr são a resistividade e a permeabilidade magnética relativa do material da tela, respectivamente (as unidades de medida do primeiro valor são Ohm∙m); f é a frequência do campo, medida em MHz.
- Eficiência da blindagem e - a relação entre a intensidade do campo magnético no espaço blindado na ausência e na presença da blindagem. Este valor é tanto maior quanto maior a espessura da tela e a permeabilidade magnética de seu material. A permeabilidade magnética é um indicador que caracteriza quantas vezes a indução em uma substânciadiferente disso no vácuo.
- Redução da intensidade do campo magnético e densidade de correntes parasitas a uma profundidade x da superfície da caixa de proteção. O indicador é calculado usando a fórmula abaixo. Aqui A0 é o valor na superfície da tela, x0 é a profundidade na qual a intensidade ou densidade de corrente diminui e vezes.
Design de tela
As capas de proteção para blindagem do campo magnético podem ser feitas em vários modelos:
- folha e maciço;
- sob a forma de tubos ocos e invólucros de seção cilíndrica ou retangular;
- camada simples e multicamada, com entreferro.
Como o cálculo do número de camadas é bastante complicado, esse valor é mais frequentemente escolhido em livros de referência, de acordo com curvas de eficiência de blindagem obtidas experimentalmente. Cortes e costuras em caixas podem ser feitos apenas ao longo das linhas de correntes parasitas. Caso contrário, o efeito de blindagem será reduzido.
Na prática, é difícil obter um fator de blindagem alto, pois é sempre necessário fazer furos para entrada de cabos, ventilação e manutenção das instalações. Para bobinas, os invólucros sem costura são feitos usando o método de extrusão de folha, e a parte inferior da tela cilíndrica serve como uma tampa removível.
Além disso, quando os elementos estruturais entram em contato, formam-se fissuras devido a irregularidades da superfície. Para eliminá-los, usebraçadeiras mecânicas ou gaxetas feitas de materiais condutores. Estão disponíveis em diferentes tamanhos e com diferentes propriedades.
As correntes parasitas são correntes muito menos circulantes, mas são capazes de impedir a penetração de um campo magnético através da tela. Na presença de um grande número de orifícios no revestimento, a diminuição do coeficiente de blindagem ocorre de acordo com uma dependência logarítmica. Seu menor valor é observado com buracos tecnológicos de grande porte. Portanto, recomenda-se projetar vários furos pequenos em vez de um grande. Se for necessário usar orifícios padronizados (para entrada de cabos e outras necessidades), são usados guias de ondas transcendentais.
Em um campo magnetostático criado por correntes elétricas diretas, a função da tela é desviar as linhas de campo. O elemento de proteção é instalado o mais próximo possível da fonte. O aterramento não é necessário. A eficácia da blindagem depende da permeabilidade magnética e da espessura do material da blindagem. Neste último, são utilizados aços, permalloy e ligas magnéticas com alta permeabilidade magnética.
A blindagem das rotas dos cabos é realizada principalmente por dois métodos - usando cabos com par trançado blindado ou protegido e colocando eletrodutos em caixas de alumínio (ou insertos).
Telas supercondutoras
A operação das telas magnéticas supercondutoras é baseada no efeito Meissner. Este fenômeno consiste no fato de que um corpo em um campo magnético entra em um estado supercondutor. Ao mesmo tempo, o magnetismoa permeabilidade do invólucro torna-se igual a zero, ou seja, não passa pelo campo magnético. É totalmente compensado no volume do corpo dado.
A vantagem de tais elementos é que eles são muito mais eficientes, a proteção contra um campo magnético externo não depende da frequência, e o efeito de compensação pode durar um tempo arbitrariamente longo. No entanto, na prática, o efeito Meissner não é completo, pois em telas reais feitas de materiais supercondutores sempre há heterogeneidades estruturais que levam ao aprisionamento de fluxo magnético. Este efeito é um problema sério para a criação de invólucros com o objetivo de blindar o campo magnético. O coeficiente de atenuação do campo magnético é tanto maior quanto maior a pureza química do material. Nos experimentos, o melhor desempenho foi observado para chumbo.
Outras desvantagens dos materiais supercondutores de blindagem de campo magnético são:
- alto custo;
- presença de campo magnético residual;
- aparecimento do estado de supercondutividade somente em baixas temperaturas;
- incapacidade de funcionar em campos magnéticos elevados.
Materiais
Na maioria das vezes, as telas de aço carbono são usadas para proteção contra um campo magnético, pois são altamente adaptáveis para soldagem, solda, baratas e caracterizadas por boa resistência à corrosão. Além deles, materiais como:
- folha de alumínio técnica;
- liga magnética macia de ferro, alumínio e silício (alsifer);
- cobre;
- vidro revestido condutor;
- zinco;
- transformador de aço;
- esm altes e vernizes condutores;
- bronze;
- tecidos metalizados.
Estruturalmente, podem ser feitos na forma de folhas, redes e papel alumínio. Os materiais de folha fornecem melhor proteção e os materiais de malha são mais convenientes de montar - eles podem ser unidos por soldagem a ponto em incrementos de 10 a 15 mm. Para garantir a resistência à corrosão, as grelhas são envernizadas.
Recomendações para seleção de materiais
Ao escolher um material para telas de proteção, orientam-se as seguintes recomendações:
- Em campos fracos, são utilizadas ligas com alta permeabilidade magnética. O mais avançado tecnologicamente é o permalloy, que se presta bem à pressão e ao corte. A intensidade do campo magnético necessária para sua completa desmagnetização, assim como a resistividade elétrica, dependem principalmente da porcentagem de níquel. Pela quantidade deste elemento, permalloys com baixo teor de níquel (até 50%) e alto teor de níquel (até 80%) são distinguidos.
- Para reduzir as perdas de energia em um campo magnético alternado, os invólucros são colocados de um bom condutor ou de um isolante.
- Para uma frequência de campo superior a 10 MHz, revestimentos de filme de prata ou cobre com espessura igual ou superior a 0,1 mm (telas feitas de getinaks revestidos com papel alumínio e outros materiais isolantes), bem como cobre, alumínio e latão, dão um bom efeito. Para proteger o cobre da oxidação, ele é revestido com prata.
- EspessuraO material depende da frequência f. Quanto menor f, maior deve ser a espessura para obter o mesmo efeito de blindagem. Em altas frequências, para a fabricação de invólucros de qualquer material, uma espessura de 0,5-1,5 mm é suficiente.
- Para campos com f alto, não são utilizados ferroímãs, pois possuem alta resistência e levam a grandes perdas de energia. Materiais altamente condutores que não sejam aço também não devem ser usados para blindar campos magnéticos permanentes.
- Para proteção em uma ampla faixa f, materiais multicamadas (chapas de aço com uma camada de metal altamente condutora) são a solução ideal.
As regras gerais de seleção são as seguintes:
- Altas frequências são materiais altamente condutores.
- Baixas frequências são materiais com alta permeabilidade magnética. A blindagem neste caso é uma das tarefas mais difíceis, pois torna o design da tela de proteção mais pesado e complicado.
Fitas de alumínio
As fitas de blindagem de folha são usadas para os seguintes propósitos:
- Blindagem de interferência eletromagnética de banda larga. Na maioria das vezes eles são usados para portas e paredes de armários elétricos com dispositivos, bem como para formar uma tela em torno de elementos individuais (solenóides, relés) e cabos.
- Remoção de carga estática que se acumula em dispositivos contendo semicondutores e tubos de raios catódicos, bem como em dispositivos usados para entrada/saída de informações decomputador.
- Como componente de circuitos de aterramento.
- Para reduzir a interação eletrostática entre os enrolamentos do transformador.
Estruturalmente, eles são baseados em um material adesivo condutor (resina acrílica) e folha (com superfície ondulada ou lisa) feita dos seguintes tipos de metal:
- alumínio;
- cobre;
- cobre estanhado (para soldagem e melhor proteção anticorrosiva).
Materiais Polímeros
Naqueles dispositivos onde, juntamente com a blindagem do campo magnético, é necessária proteção contra danos mecânicos e absorção de choques, são utilizados materiais poliméricos. São feitos na forma de almofadas de espuma de poliuretano revestidas com um filme de poliéster, à base de um adesivo acrílico.
Na produção de monitores de cristal líquido, são utilizadas vedações de acrílico feitas de tecido condutor. Na camada de adesivo acrílico está uma matriz condutora tridimensional feita de partículas condutoras. Devido à sua elasticidade, este material também absorve eficazmente as tensões mecânicas.
Método de compensação
O princípio do método de blindagem de compensação é criar artificialmente um campo magnético direcionado em direção oposta ao campo externo. Isso geralmente é alcançado com um sistema de bobina de Helmholtz. Consiste em 2 bobinas finas idênticas localizadas coaxialmente a uma distância de seu raio. A eletricidade passa por eles. O campo magnético induzido pelas bobinas é altamente uniforme.
A blindagem podetambém produzida pelo plasma. Este fenômeno é levado em consideração na distribuição do campo magnético no espaço.
Blindagem do cabo
A proteção do campo magnético é essencial na colocação de cabos. As correntes elétricas induzidas neles podem ser causadas pela inclusão de eletrodomésticos na sala (ar condicionados, lâmpadas fluorescentes, telefones), além de elevadores nas minas. Esses fatores têm uma influência particularmente grande em sistemas de comunicação digital que operam em protocolos com uma ampla faixa de frequência. Isso se deve à pequena diferença entre a potência do sinal útil e o ruído na parte superior do espectro. Além disso, a energia eletromagnética emitida pelos sistemas de cabos afeta negativamente a saúde do pessoal que trabalha nas instalações.
Cross-talk ocorre entre pares de fios devido à presença de acoplamento capacitivo e indutivo entre eles. A energia eletromagnética dos cabos também é refletida devido às não homogeneidades de sua impedância de onda e é enfraquecida na forma de perdas de calor. Como resultado da atenuação, a potência do sinal no final de linhas longas cai centenas de vezes.
Atualmente, 3 métodos de blindagem de rotas de cabos são praticados na indústria elétrica:
- A utilização de caixas totalmente metálicas (aço ou alumínio) ou a instalação de insertos metálicos em caixas plásticas. À medida que a frequência de campo aumenta, a capacidade de peneiramento do alumínio diminui. A desvantagem também é o alto custo das caixas. Para cabos longos existeo problema de garantir o contato elétrico dos elementos individuais e seu aterramento para garantir o potencial zero da caixa.
- Utilize cabos blindados. Este método oferece proteção máxima, pois a bainha envolve o próprio cabo.
- Deposição a vácuo de metal no canal de PVC. Este método é ineficaz em frequências de até 200 MHz. A “extinção” do campo magnético é dez vezes menor em comparação com a colocação do cabo em caixas metálicas devido à alta resistividade.
Tipos de cabos
Existem 2 tipos de cabos blindados:
- Com uma tela comum. Ele está localizado ao redor de condutores trançados desprotegidos. A desvantagem de tais cabos é que há uma grande diafonia (5-10 vezes mais do que pares blindados), especialmente entre pares com o mesmo passo de torção.
- Cabos com pares trançados blindados. Todos os pares são blindados individualmente. Devido ao seu custo mais alto, eles são mais frequentemente usados em redes com requisitos de segurança rigorosos e em salas com ambiente eletromagnético difícil. O uso de tais cabos em colocação paralela permite reduzir a distância entre eles. Isso reduz os custos em comparação com o roteamento dividido.
Cabo blindado de par trançado é um par de condutores isolados (seu número é geralmente de 2 a 8). Este design reduz a diafonia.entre condutores. Os pares não blindados não têm requisitos de aterramento, têm mais flexibilidade, dimensões transversais menores e facilidade de instalação. O par blindado oferece proteção contra interferência eletromagnética e transmissão de dados de alta qualidade pelas redes.
Os sistemas de informação também utilizam blindagem de duas camadas, que consiste na proteção de pares trançados na forma de uma fita plástica metalizada ou folha, e uma trança metálica comum. Para uma proteção eficaz contra o campo magnético, tais sistemas de cabos devem ser devidamente aterrados.
