Las pantallas electromagnéticas son ampliamente utilizadas en la industria. Sirven para eliminar los efectos nocivos de unos elementos de un aparato eléctrico sobre otros, para proteger al personal y al equipo de los efectos de campos externos que se producen durante el funcionamiento de otros aparatos. La "extinción" del campo magnético externo es necesaria en la creación de laboratorios destinados al ajuste y prueba de equipos de alta sensibilidad. También es requerido en medicina y aquellas áreas de la ciencia donde se realiza la medición de campos con inducción ultrabaja; para proteger la información durante su transmisión por cable.
Métodos
El blindaje de campo magnético es un conjunto de formas de reducir la fuerza de un campo constante o alterno en un área determinada del espacio. Un campo magnético, a diferencia de un campo eléctrico, no se puede debilitar por completo.
En la industria, los campos dispersos de transformadores, imanes permanentes, instalaciones y circuitos de alta corriente tienen el mayor impacto ambiental. Pueden interrumpir por completo el funcionamiento normal de los electrodomésticos vecinos.
Más usados 2método de protección:
- El uso de pantallas hechas de materiales superconductores o ferromagnéticos. Esto es efectivo en presencia de un campo magnético constante o de baja frecuencia.
- Método de compensación (amortiguación de corrientes parásitas). Las corrientes de Foucault son corrientes eléctricas a granel que ocurren en un conductor cuando cambia el flujo magnético. Este método muestra los mejores resultados para campos de alta frecuencia.
Principios
Los principios de protección del campo magnético se basan en los patrones de propagación del campo magnético en el espacio. En consecuencia, para cada uno de los métodos enumerados anteriormente, son los siguientes:
- Si coloca un inductor en una carcasa hecha de un ferromagnético, las líneas de inducción del campo magnético externo pasarán a lo largo de las paredes de la pantalla protectora, ya que tiene menos resistencia magnética en comparación con el espacio interior. Esas líneas de fuerza que son inducidas por la propia bobina también estarán casi todas cerradas a las paredes de la carcasa. Para la mejor protección en este caso, es necesario elegir materiales ferromagnéticos que tengan una alta permeabilidad magnética. En la práctica, las aleaciones de hierro son las más utilizadas. Para aumentar la confiabilidad de la pantalla, se fabrica con paredes gruesas o prefabricadas a partir de varias carcasas. Las desventajas de este diseño son su gran peso, volumen y deterioro del blindaje en presencia de costuras y cortes en las paredes de la carcasa.
- En el segundo método, el debilitamiento del campo magnético externose produce como resultado de la imposición de otro campo sobre él, inducido por corrientes de Foucault anulares. Su dirección es opuesta a las líneas de inducción del primer campo. A medida que aumenta la frecuencia, la atenuación será más pronunciada. En este caso, las placas en forma de anillo de conductores con baja resistividad se utilizan para blindaje. Las cajas en forma de cilindro hechas de cobre o aluminio se utilizan con mayor frecuencia como cubiertas de pantalla.
Características principales
Hay 3 características principales para describir el proceso de blindaje:
- Profundidad de penetración de campo magnético equivalente. Así que continuemos. Esta cifra se utiliza para el efecto de pantalla de las corrientes de Foucault. Cuanto menor sea su valor, mayor será la corriente que fluye en las capas superficiales de la carcasa protectora. En consecuencia, mayor es el campo magnético inducido por él, que desplaza al externo. La profundidad equivalente está determinada por la siguiente fórmula. En esta fórmula, ρ y Μr son la resistividad y la permeabilidad magnética relativa del material de la pantalla, respectivamente (las unidades de medida del primer valor son Ohm∙m); f es la frecuencia del campo, medida en MHz.
- Eficacia del blindaje e - la relación de la intensidad del campo magnético en el espacio protegido en ausencia y presencia del blindaje. Este valor es mayor cuanto mayor sea el espesor de la pantalla y la permeabilidad magnética de su material. La permeabilidad magnética es un indicador que caracteriza cuántas veces la inducción en una sustanciadiferente de eso en el vacío.
- Reducción de la intensidad del campo magnético y la densidad de corrientes parásitas a una profundidad x desde la superficie de la carcasa protectora. El indicador se calcula utilizando la siguiente fórmula. Aquí A0 es el valor en la superficie de la pantalla, x0 es la profundidad a la que la intensidad o densidad de corriente disminuye e veces.
Diseños de pantalla
Las cubiertas protectoras para proteger el campo magnético se pueden fabricar en varios diseños:
- chapa y maciza;
- en forma de tubos huecos y cubiertas de sección cilíndrica o rectangular;
- monocapa y multicapa, con cámara de aire.
Dado que el cálculo del número de capas es bastante complicado, este valor se suele elegir de libros de referencia, de acuerdo con las curvas de eficiencia de blindaje obtenidas experimentalmente. Se permiten cortes y costuras en cajas solo a lo largo de las líneas de corrientes de Foucault. De lo contrario, se reducirá el efecto de protección.
En la práctica es difícil obtener un alto factor de apantallamiento, ya que siempre es necesario realizar orificios para la entrada de cables, ventilación y mantenimiento de las instalaciones. Para las bobinas, las carcasas sin costura se fabrican mediante el método de extrusión de láminas y la parte inferior de la pantalla cilíndrica sirve como cubierta extraíble.
Además, cuando los elementos estructurales entran en contacto, se forman grietas debido a las irregularidades de la superficie. Para eliminarlos, utiliceabrazaderas mecánicas o juntas hechas de materiales conductores. Están disponibles en diferentes tamaños y con diferentes propiedades.
Las corrientes de Foucault son corrientes que circulan mucho menos, pero son capaces de evitar la penetración de un campo magnético a través de la pantalla. En presencia de un gran número de orificios en la carcasa, la disminución del coeficiente de apantallamiento se produce según una dependencia logarítmica. Su valor más pequeño se observa con agujeros tecnológicos de gran tamaño. Por lo tanto, se recomienda diseñar varios agujeros pequeños en lugar de uno grande. Si es necesario utilizar orificios estandarizados (para la entrada de cables y otras necesidades), se utilizan guías de ondas trascendentales.
En un campo magnetostático creado por corrientes eléctricas directas, el trabajo de la pantalla es desviar las líneas de campo. El elemento de protección se instala lo más cerca posible de la fuente. No se requiere conexión a tierra. La eficacia del blindaje depende de la permeabilidad magnética y del espesor del material del blindaje. Como estos últimos se utilizan aceros, permalloy y aleaciones magnéticas de alta permeabilidad magnética.
El blindaje de las rutas de los cables se realiza principalmente mediante dos métodos: usar cables con par trenzado blindado o protegido y colocar conductos en cajas de aluminio (o insertos).
Pantallas superconductoras
El funcionamiento de las pantallas magnéticas superconductoras se basa en el efecto Meissner. Este fenómeno consiste en que un cuerpo en un campo magnético pasa a un estado superconductor. Al mismo tiempo, el magnéticola permeabilidad de la carcasa se vuelve igual a cero, es decir, no pasa el campo magnético. Está completamente compensado en el volumen del cuerpo dado.
La ventaja de tales elementos es que son mucho más eficientes, la protección contra un campo magnético externo no depende de la frecuencia y el efecto de compensación puede durar un tiempo arbitrariamente largo. Sin embargo, en la práctica, el efecto Meissner no es completo, ya que en las pantallas reales hechas de materiales superconductores siempre hay heterogeneidades estructurales que conducen al atrapamiento del flujo magnético. Este efecto es un problema grave para la creación de carcasas con el fin de proteger el campo magnético. El coeficiente de atenuación del campo magnético es mayor cuanto mayor es la pureza química del material. En los experimentos, se observó el mejor rendimiento para el plomo.
Otras desventajas de los materiales superconductores de blindaje de campo magnético son:
- alto costo;
- presencia de campo magnético residual;
- aparición del estado de superconductividad solo a bajas temperaturas;
- incapacidad para funcionar en campos magnéticos elevados.
Materiales
La mayoría de las veces, las pantallas de acero al carbono se utilizan para proteger contra un campo magnético, ya que son altamente adaptables para soldar, son económicas y se caracterizan por una buena resistencia a la corrosión. Además de ellos, materiales como:
- papel de aluminio técnico;
- aleación magnética blanda de hierro, aluminio y silicio (alsifer);
- cobre;
- vidrio revestido conductor;
- zinc;
- transformador de acero;
- esm altes y barnices conductores;
- latón;
- tejidos metalizados.
Estructuralmente, se pueden fabricar en forma de láminas, redes y láminas. Los materiales laminados brindan una mejor protección y los materiales de malla son más convenientes para ensamblar: se pueden unir mediante soldadura por puntos en incrementos de 10 a 15 mm. Para garantizar la resistencia a la corrosión, las rejillas están barnizadas.
Recomendaciones para la selección de materiales
A la hora de elegir un material para las pantallas protectoras, se orientan las siguientes recomendaciones:
- En campos débiles, se utilizan aleaciones con alta permeabilidad magnética. El más avanzado tecnológicamente es el permalloy, que se presta bien a la presión y al corte. La intensidad del campo magnético necesaria para su completa desmagnetización, así como la resistividad eléctrica, dependen principalmente del porcentaje de níquel. Por la cantidad de este elemento, se distinguen las permalloys con bajo contenido de níquel (hasta un 50 %) y alto contenido de níquel (hasta un 80 %).
- Para reducir las pérdidas de energía en un campo magnético alterno, se colocan cubiertas de un buen conductor o de un aislante.
- Para una frecuencia de campo de más de 10 MHz, recubrimientos de película de plata o cobre con un espesor de 0,1 mm o más (pantallas hechas de getinaks recubiertos con láminas y otros materiales aislantes), así como cobre, aluminio y latón, dar un buen efecto. Para proteger el cobre de la oxidación, se recubre con plata.
- Espesorel material depende de la frecuencia f. Cuanto menor sea f, mayor debe ser el espesor para lograr el mismo efecto de blindaje. A altas frecuencias, para la fabricación de carcasas de cualquier material, es suficiente un espesor de 0,5-1,5 mm.
- Para campos con alta f, no se utilizan ferromagnetos, ya que tienen una alta resistencia y provocan grandes pérdidas de energía. Tampoco deben utilizarse materiales altamente conductores que no sean acero para proteger campos magnéticos permanentes.
- Para la protección en un amplio rango de f, los materiales multicapa (láminas de acero con una capa de metal altamente conductiva) son la solución óptima.
Las reglas generales de selección son las siguientes:
- Las altas frecuencias son materiales altamente conductores.
- Las frecuencias bajas son materiales con alta permeabilidad magnética. El apantallamiento en este caso es una de las tareas más difíciles, ya que hace que el diseño de la pantalla protectora sea más pesado y complicado.
Cintas de aluminio
Las cintas de protección de aluminio se utilizan para los siguientes fines:
- Blindaje de interferencias electromagnéticas de banda ancha. En la mayoría de los casos, se utilizan para puertas y paredes de armarios eléctricos con dispositivos, así como para formar una pantalla alrededor de elementos individuales (solenoides, relés) y cables.
- Eliminación de la carga estática que se acumula en dispositivos que contienen semiconductores y tubos de rayos catódicos, así como en dispositivos utilizados para la entrada/salida de información decomputadora.
- Como componente de circuitos de tierra.
- Para reducir la interacción electrostática entre los devanados del transformador.
Estructuralmente, se basan en un material adhesivo conductor (resina acrílica) y una lámina (con superficie ondulada o lisa) fabricados con los siguientes tipos de metal:
- aluminio;
- cobre;
- cobre estañado (para soldadura y mejor protección anticorrosión).
Materiales poliméricos
En aquellos dispositivos donde además del blindaje del campo magnético se requiere protección contra daños mecánicos y absorción de impactos, se utilizan materiales poliméricos. Están fabricados en forma de almohadillas de espuma de poliuretano recubiertas con una película de poliéster, a base de un adhesivo acrílico.
En la producción de monitores de cristal líquido, se utilizan sellos acrílicos hechos de tela conductora. En la capa de adhesivo acrílico hay una matriz conductora tridimensional hecha de partículas conductoras. Debido a su elasticidad, este material también absorbe eficazmente el estrés mecánico.
Método de compensación
El principio del método de blindaje de compensación es crear artificialmente un campo magnético que se dirige de manera opuesta al campo externo. Esto generalmente se logra con un sistema de bobina Helmholtz. Consiste en 2 bobinas delgadas idénticas ubicadas coaxialmente a una distancia de su radio. La electricidad pasa a través de ellos. El campo magnético inducido por las bobinas es muy uniforme.
Lata de blindajetambién producido por el plasma. Este fenómeno se tiene en cuenta en la distribución del campo magnético en el espacio.
Apantallamiento de cables
La protección contra campos magnéticos es esencial al tender cables. Las corrientes eléctricas inducidas en ellos pueden ser causadas por la inclusión de electrodomésticos en la habitación (aires acondicionados, lámparas fluorescentes, teléfonos), así como ascensores en minas. Estos factores tienen una influencia particularmente grande en los sistemas de comunicación digital que funcionan con protocolos con una banda de frecuencia ancha. Esto se debe a la pequeña diferencia entre la potencia de la señal útil y el ruido en la parte superior del espectro. Además, la energía electromagnética emitida por los sistemas de cable afecta negativamente a la salud del personal que trabaja en las instalaciones.
La diafonía ocurre entre pares de cables debido a la presencia de acoplamiento capacitivo e inductivo entre ellos. La energía electromagnética de los cables también se refleja debido a la f alta de homogeneidad de su impedancia de onda y se debilita en forma de pérdidas de calor. Como resultado de la atenuación, la potencia de la señal al final de las líneas largas cae cientos de veces.
Actualmente, en la industria eléctrica se practican 3 métodos para proteger las rutas de los cables:
- El uso de cajas totalmente metálicas (acero o aluminio) o la instalación de insertos metálicos en cajas de plástico. A medida que aumenta la frecuencia de campo, disminuye la capacidad de apantallamiento del aluminio. La desventaja es también el alto costo de las cajas. Para tramos largos de cable hayel problema de garantizar el contacto eléctrico de los elementos individuales y su conexión a tierra para garantizar el potencial cero de la caja.
- Utilice cables blindados. Este método proporciona la máxima protección ya que la funda envuelve el propio cable.
- Deposición al vacío de metal sobre el canal de PVC. Este método es ineficaz a frecuencias de hasta 200 MHz. La "extinción" del campo magnético es diez veces menor en comparación con el tendido del cable en cajas de metal debido a la alta resistividad.
Tipos de cables
Hay 2 tipos de cables blindados:
- Con una pantalla común. Se encuentra alrededor de conductores trenzados sin protección. La desventaja de tales cables es que hay una gran diafonía (5-10 veces más que los pares blindados), especialmente entre pares con el mismo paso de torsión.
- Cables con par trenzado apantallado. Todos los pares están blindados individualmente. Debido a su mayor costo, se utilizan con mayor frecuencia en redes con requisitos de seguridad estrictos y en salas con un entorno electromagnético difícil. El uso de tales cables tendidos en paralelo permite reducir la distancia entre ellos. Esto reduce los costos en comparación con el enrutamiento dividido.
El cable blindado de par trenzado es un par de conductores aislados (su número suele ser de 2 a 8). Este diseño reduce la diafonía.entre conductores. Los pares sin blindaje no tienen requisitos de puesta a tierra, tienen más flexibilidad, dimensiones transversales más pequeñas y facilidad de instalación. El par blindado brinda protección contra interferencias electromagnéticas y transmisión de datos de alta calidad a través de redes.
Los sistemas de información también utilizan blindaje de dos capas, que consiste en la protección de pares trenzados en forma de cinta o lámina de plástico metalizado y una trenza de metal común. Para una protección efectiva contra el campo magnético, dichos sistemas de cables deben estar debidamente conectados a tierra.
