来源:中国音响师网
电场、磁场、电磁波已经广泛应用于人们的生产生活中,可以说人类已经离不开它们了。三者在给人们带来极大方便的同时,在某些方面也会对人体及仪器设备带来危害。为了避免其危害,在某些区域需要进行屏蔽。所谓屏蔽,就是将某些区域保护起来,免受电场、磁场及电磁波的影响。电磁屏蔽一般可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁屏蔽等,都是用一定材质的外壳,将某些区域隔离,以起到屏障的效果。但由于所要屏蔽场的特性不同,对屏蔽壳材质的要求不同,屏蔽的效果也不尽相同。
1.静电屏蔽
静电屏蔽是防止静电场进入某个区域,对区域内的人或物起到保护作用,其原理是:当导体或空腔导体进入电场时,其内部的电荷在外电场的作用下,会重新分布,直至本身的电荷形成的电场和外电场完全相互抵消,使得内部的场强处处为零。导体上的电荷在极短的时间就能完成重新分布。对于变化很慢(例如民用的50Hz)的交流电,虽然其电场不断变化,但导体上的电荷在电场变化时有足够的时间完成重新分布,同样能使内部的电场保持为零。因此,对于低频交流电,研究其屏蔽时可等同于静电屏蔽。要使被保护的区域内场强为零,只要一个闭合(不必全封闭)的甚至网状的金属外壳就可以了,对材质(电导率的高低和厚度)几乎没有什么要求,且屏蔽的作用是完全彻底的,即使得导体内部的场强真正处处为零。但在屏蔽低频交流电时,人们心理上又总是希望屏蔽外套的电导率越高越好。实际上,电工用的静电防护服,一般采用铜丝或导电纤维作原料。身穿静电防护服就能够带电作业,即使电压达几万伏甚至更高时也是安全的。不过在电工刚刚接近高压线的瞬间,身体上会有微弱的电流通过,电工一般都能经受住这一考验。
另外,使屏蔽金属外壳接地,还可将静电场包围在某一区域内,而不对外界造成影响。各种高低压电器金属外壳的接地就兼有这方面的作用。
2.静磁屏蔽
静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域。静磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻通路,从而对干扰磁场进行分流。空气的磁导率约等于1,铁磁性材料如铁、低碳钢、软铁、硅钢、铍莫合金等的磁导率高达几千甚至几万。当铁磁性材料靠近磁场时,会立即改变磁场的分布,成为磁场或者说是磁感线最畅通的渠道。当铁磁性材料对磁体形成半包围或全包围时,磁感线大部分沿着铁磁性材料的最短路径形成回路,外界的磁场大大减弱。如变压器中的硅钢片铁芯,能使交变磁感线几乎全部通过铁芯。若用铁磁性材料做成空腔外壳,当与外界的磁场相遇时,磁感线大部分沿着铁磁性介质外壳通行,内部的磁场强度大大减弱。由于静磁屏蔽用的是铁磁性材料,所以静磁屏蔽又叫铁磁屏蔽。
像静电屏蔽一样,静磁屏蔽既可以把磁场包围在屏蔽壳内,也可将磁场阻隔在屏蔽壳外。如手表为了防磁,在机芯的外壳安一个铁质衬套,就能使机芯不受外界磁场的干扰。但从理论上讲,静磁屏蔽的作用是不完全的,即使是全封闭的外壳,其内部的磁场强度不可能真正为零。外壳的厚度和磁导率对屏蔽有明显的影响:外壳越厚、磁导率越高,屏蔽的效果越好。因此,静磁屏蔽受材料重量和体积的限制,而且屏蔽壳的各个部分要尽量结合紧密。要想达到更好的磁屏蔽效果,可采用磁导率极高的铍莫合金材料,并进行多层屏蔽,把漏进空腔的剩磁一次次地滤掉。因此效果良好的磁屏蔽一般都比较笨重。如果要制造绝对的“静磁真空”,则可利用超导体的迈斯纳效应。即将一块超导体放在磁场中,其内部的磁感强度绝对为零。超导体是完全抗磁体,具有最理想的磁屏蔽效果,但目前还不能普遍应用。
3.高频电磁屏蔽
当电磁场的变化频率很高(例如百万赫兹或更高)时,场中导体上的感应电荷已不能再看成静止的(导体不再处于静电平衡状态),因此必须用电磁波在导体中的“透入深度”说明屏蔽的原理:当高频电磁波射向一导体表面时,一部分会被反射,一部分会在导体中感应出一个高频交变电流,此电流会激发出一个新的电磁波,此电磁波在导体内部与入射电磁波的相位相反,同时导体内电流的产生还导致入射波场能量的消耗,结果使得导体内部总的入射电磁场能量基本上随深度呈指数衰减。导体表面场的能量越大,透入导体越深;表面场能越小,透入导体越浅。电磁波在良导体中衰减很快,把导体的电磁波能量衰减到表面值的1/e(约36.8%)处的厚度称为趋肤厚度,又称“透入深度”,用d表示,有,其中μ和σ分别为屏蔽材料的磁导率和电导率,f为电磁波的频率。若电磁波的频率f=100MHz,对铜导体可求出d=0.00667mm。如果是铁,则d=0.016mm,如果是铝,则d=0.0085mm。可见,透入深度与入射电磁波的频率、电导率和磁导率都有关系:频率越高,电导率越大,磁导率越大,“透入深度”越小。可见良导体的电磁屏蔽效果显著,像铜、铝、铁这样的金属,只需一张纸那么厚就能屏蔽1MHz的电磁波。
高频电磁屏蔽,可抑制干扰,可增强设备的可靠性及提高产品质量。合理地使用电磁屏蔽,可以抑制外来高频电磁波的干扰,也可以避免作为干扰源去影响其他的设备。如在收音机中,用空芯铝壳罩在中频线圈外面,使它不受外界电磁场的干扰而减少杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着,也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描,在屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备。