Магнитные поля. 2

       ПЕРЕШКОДИ ВІД МАГНІТНИХ ПОЛІВ 

     Розглянемо взаємодію двох дротів в магнітному полі (мал. 3.1).

     Згідно  із законом повного струму

     де  Н-напруженість магнітного поля навколо провода, по якому протікає струм.

     На  відстані г від струмопровідного дроту напруженість магнітного поля рівна

       = //(2яг).

     Магнітне  поле, що утворюється навколо струмопровідного дроту р, охоплює дріт q. Поверхня нульового потенціалу не впливає  на магнітне поле, якщо матеріал, з якого він виконаний, не має феритової основи.

     Механізм  магнітного зв'язку описується законом Фарадея : 

     

     

     

     

 
      
 
      

     Мал. 3.1. Магнітний зв'язок між ИП (провід р) і РП (провода q, </).

     

     J 14 *

     --        " '"■   J-/   '     --■  --

 
 

     Мал. 3.2. Максимальна *Г  мини-мальная магнітний  зв'язок:

     

     {Eds =  -

     I __ yxi\ 2 - дріт з максимальним зв'язком; 3 - дріт з мінімальним зв'язком. 
 
 

     

     

 
      

     де  Е - напруженість електричного поля, В/м; U - напруга, що індукується в ланцюзі, утвореному про-водами q, - q'\

     (3.1)

     - магнітний потік, що перетинає  петлю площею Л, утворену дротами  q - qf\ В = \хН\ \х - магнит-ная проникність середовища.

     На  мал. 3.2 показано два випадки магнітного зв'язку. Дріт 2 і "земля" утворюють  ланцюг, площа петлі ко-торой A=hzly причому магнітне поле дроту 1 перпен-дикулярно  площини цієї петлі. Дріт 3 і "земля" утворюють ланцюг з площею петлі Л=/1з/, причому магнит-ное поле дроту 1 перетинає площину цієї петлі під косим кутом. Далі розглянемо   лише   перший   випадок, оскільки він відповідає сильнішою магнітною свя-зи і аналогічний випадку, показаному вЬ мал. ЗД. Після підстановок в (3.1) отримуємо*) 

     

     Згодна (3.2) напруга U, наведена в рассмат-риваемой ланцюзі, збільшується при збільшенні   магнітної проникності середовища \iy довжини ланцюга /, сили струму / і  його частоти. Ця напруга помітна  уменьшается-при рознесень дротів на відстань d^hz. Проте, як показано на мал. 3.3, зростання напруги Ui7 що наводиться на

     *^{*} Вважаючи для спільності h2~h. (Прим. ред.)} 
 
 
 
 

       
 

     навантаженню Z?2, обмежується самоіндукцією: 
 
 

       
 

     Підставляючи  рівняння (3.2) без урахування фази в  урав-нения (3.3) і (3.4), отримуємо вираження для повного перехідного опору. 

       

                 Перехідне загасання Z^ або коефіцієнт зв'язку це-пей ИП і РП UifUs можна виразити як 
 

     

     де Us - напруга джерела енергії (перешкод) ланцюга 1. На низьких  і високих  частотах  при L2=Li і Zsi" "Zh~Zs2"Zz2" 2 рівняння (3.5) набуває следую-щий вигляду: 

       

     Для зменшення магнітного зв'язку між  ланцюгами, по-казанными на мал. 3.3, згідно з рівняннями (3.2), (3.3), (3.5) треба зробити  наступне:

     1. Зменшити напругу джерела Us або  струм / в ланцюзі 1. Якщо внутрішній опір джерела на-пряжения Us мало, слід збільшити повне сопротив-ление ланцюгу, проте, як буде показано далі, це приве-дет до збільшення електричного зв'язку.

     2. Зменшити площу петлі, освіченим  ланцюгом (мал. 3.3, 3.4, а), зменшуючи довжину I або відстань меж-ду дротами h або і те, і інше. Оскільки зазвичай кабель прокладають по найкоротшому шляху, / не можна су-щественно зменшити. Укладання ізольованого дроту безпосередньо на    "землю"  (мал.   3.4, б) істотно

       
 

     Мал. ЗА, Зменшення площі петлі A=lh магнітно-пов'язаних це-пей і різні варіанти заземлення.

     _

     зменшує розмір h. Ще помітніше зменшити магнит-ную  зв'язок можна, використовуючи як "землю" отдель-ный дріт (мал. 3.4, в), оскільки в цьому випадку немає свя-зи із-за загальних ділянок ланцюгів. Хорошим варіантом яв-ляется скручування прямого і зворотного дротів, оскільки в цьому випадку напруга, що наводиться на сусідніх уча-стках скрученої лінії, приблизно однакова по вели-чине, але протилежно по знаку (мал. 3.4, г).

     3. Максимально рознести ланцюги 1 і 2, так, щоб для рівняння (3.5) виконувалися умови: 

           

     4.  Передавати сигнали постійним  струмом або на НЧ.

     5.  Використовувати дріт в магнітному  екрані з высо-кой проникністю.

     6.  Включити в ланцюг 2  (РП) диференціальний уси-литель.                                                                        г

     У разі використання окремого земляного (нуле-вого) дроту (мал. 3.4, е, г) виникає  проблема оптимального заземлення детально це питання розглянуте в гл.- 4). Тут  доречно лише відмітити, що заземлення ланцюга не завжди обов'язково. До^ромі того, якщо заземля-ются обидва кінці нульового дроту, то це еквівалентно появі другого дроту, опір якої менший, ніж у "" земляного" дроту. Останній, таким чином, стає неефективним.

     Як  відзначалося, скручування дротів є хо-рошим способом зменшення магнітного   зв'язку. Проте 
 
 
 
 
 
 

       
 

     Мал. 3.5. Зменшення магнит-ной  зв'язку за допомогою  скручування дротів.

     Мал.  3.6.  Еквівалентне  пред-ставление коаксіальної  лінії.

     ще  кращу магнітну розв'язку забезпечує коакси-альный кабель, оскільки його оболонка - эквивалент-ный "зворотний" дріт - розташована концентрично відносно внутрішнього дроту і тим самим эффек-тивный розмір h нехтує малий.

     Міра  розв'язки визначається градієнтом магнитно-го поля і характеристиками кабелю. Якщо поле з високим градієнтом створюється провідником, який розташований паралельно парі АВ-РП (мал. 3.5), то рівномірно скручена пара забезпечує вищу магнітну розв'язку (за рахунок рівних за величиною і противополож-ных по знаку наведень в кожній петлі), ніж коаксиаль-ный кабель. Якщо коаксіальний кабель замінити двома дротами, паралельними центральному дроту і рівновіддаленими від нього (мал. 3.6), а також параллель-

     ными  дроту - І можна виразити як д#=       7 те   залишкове   магнітне  поле

       

     і оскільки радіус перерізу коаксіального  кабелю AR відносно малий, а магнітне поле практично не изме-няется по його довжині, то э. д. з, що наводиться в коаксіальному  кабелі, практично близька до нуля. 
 

       
 

                 Мал. 3.7. Зменшення магнітного потоку за допомогою екрану: а - ланцюги без екрану; б - з екраном з магннтопроницаемого матеріалу (плот-ность магнітного потоку усередині екрану зменшена).

     г

     Типові  екрани з лудженого мідного обплетення, исполь-зуемые для екранування від  електричних полів високої частоти, не екранують магнітні поля із-за низької магнітної проникності .(як у повітря). Екрани з феритових матеріалів зменшують магнит-ное поле, що заважає, оскільки мають низький опір для магнітного потоку (мал. 3.7).

     Міра  магнітного екранування, що забезпечується циліндричним екраном, виконаним з магнитопро-ницаемош матеріалу і поміщеним навколо однієї пари або декількох пар дротів, можна виразити як

       

     де  * на;

       відносна Проникність магнітного экра- товщина екрану; г--зовнішній .радіус екрану".

     Це  наближене вираження справедливе  тільки при fir^l Для НЧ (наприклад, нижче 10 кГц) і для попе-речных полів. Згідно (3.6) ефективність экранирова-ния підвищується із збільшенням товщини екрану. Так, наприклад, сталева труба (|яг=1000) з  внутрішнім диа-метром 25,4 мм і завтовшки стінки 1,6 мм забезпечує екранування приблизно 30 дБ, а сталева стрічка толщи-ной 51 мкм, навита на джгут діаметром 25,4 мм внахлест з перекриттям 50%, забезпечує екранування лише 3 дБ.

     Крім  того, ефективність екранування залежить від правильності заземлення екрану. На відміну від электри-ческого екранування (див. гл. 2) магнітне не вимагає заземлення екрану, якщо ланцюг, що екранується, не є високоомним.

     3.3.   ПЕРЕШКОДИ ІЗ-ЗА ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ

     Розглянемо  зв'язок двох дротів, розташованих поруч (мал. 3.8). Окрім прямого зв'язку місткості Сс меж-ду ними існує непрямий зв'язок місткості через "землю" (З\ і Сг). Використовуючи еквівалентні схеми на мал. 3.9, запишемо перехідне загасання

       

     Місткість між дротами 

       
 

                 де е - діелектрична проникність (е=8,85 пФ/м для повітря); d - відстань між дротами; D - діаметр дроту.

     Якщо  нерівність d/D^>\ не виконується,  то замість In (2djD) в (3.8) треба підставити arcch (d/D).

     Підставляючи  в (3.7) значення величин, отримуємо 

       

       

     Мал. З.8. Зв'язок місткості між дротами: з - вигляд збоку; б - вид з торця. 

       

     Мал. 3.9. Еквівалентні схеми  ланцюга, зображеного  на мал. 3.8: в, - загальна; б -на НЧ; в- на ВЧ; для  б і в Z82 = Zi2~Z,  I/oCc > Zi,.

     З приведених рівнянь видно, що для  уменьше-ния електричних перешкод потрібне:

     1. Зменшувати напругу ИП Us в ланцюзі  1 і сопротив-ление ланцюги 2 (зменшення  опору ланцюгу 1 приво-дит до  збільшення перешкод із-за магнітного  зв'язку). '" . 2. Ізолювати ланцюги  1 і 2, щоб зменшити місткість  Сс і забезпечити співвідношення d^D.

     3. Зменшувати місткість Сс, зменшуючи  довжину лінії (довгу лінію,  крім того, важче екранувати на  ВЧ).

     4. Зменшувати місткість Сс за  допомогою екранування, наприклад  циліндра Фарадея (рис, ЗЛО). На  мал. ЗЛО показано два дроти  над поверхнею нульового потен-циала. Дріт 2 поміщений в екран - циліндр Фарадея, причому цей екран заземлений. Таким чином, місткість С'с>Сс утворюється між дротом 1 і, заземленим -экраном дроти 2.

       
 

     Мал. 3.10. Еквівалентна "схема  ланцюга з одним  екранованим про-водом:

     З, - місткість між дротом 2 і екраном; А-точка з'єднання з екраном; Zt - ииэкоомкое опір заземляючої перемички. 

                 видно з еквівалентної  схеми для двох экрани-рованных дротів (мал. 3.11), екран на дроті 2 до-полнительно  зменшує місткість зв'язку (у Z2bfXciX" c разів). Спосіб заземлення визначається необхідністю, по-перше, уникати появи супутнього магнітного зв'язку на НЧ і; по-друге, скорочувати відстань між точками заземлення до величини, меншої самої корот-кой довжини хвилі робочого діапазону.

     Розглянемо способи екранування скрученої пари. У першому випадку (мал. 3.12, а), коли ланцюг заземляється тільки на одному кінці (чи не заземляється взагалі), заземлення "екрану навіть на обох кінцях не викличе істотної зміни магнітного зв'язку, якщо 1<ЦЯ. У другому  випадку,   коли ланцюг   заземлений на передавальному

       

                 Мал. 3.1 L Еквівалентна схема  цепн з двома екранованими про-водами:

     А - точка з'єднання  з екраном; Zb - кизксюмкые опори   заземляю-щих  перемичок.

     кінці, а екран на приймальному, електричне экранирова-ние забезпечується при /<ЦЯ. Оскільки в цій схемі зворотний дріт сполучений з точкою заземлення екрану, то частина струму замикається через "землю" разом із струмами інших ланцюгів, через що порушується магнітна развязка,. Слід зазначити, що довжина дроту, що заземляє екран, може позначитися на ВЧ. Якщо екран, заземлений

       

     Мал. 3.12. Заземлення екрану і магнітне екранування.

     на  одному кінці (мал. 3.12,6) має довжину /=Х/4, то він є чвертьхвильовим  відрізком лінії, розімкненої на кінці (де розташовано джерело) і стає при-емной антеною для перешкод. Якщо ж екран заземлити на обох кінцях, то середня точка екрану буде віддалена від його кінців на відстань Я/8, що поліпшить його экрани-рующие властивості. Взагалі кажучи, ефективність экра-нирования погіршується ближче до середини екрану, по-скольку розподілена місткість С'с в цій області компенсується гірше.

     Хоча  абсолютного критерію для заземлення циліндра Фарадея на ВЧ не існує, можна  рекомендувати максимальну відстань між точками заземлення /=0,2Я. Реактивний опір заземляючого прово-да при цьому способі екранування від електричних, полів визначає його ефективність. 

     3.4.   СПЕЦІАЛЬНІ КАБЕЛІ

     На  частотах нижче 100 кГц позначається вплив як електричних, так і магнітних  полів (залежно від геометрії  ланцюга і її опору). Довжина ланцюга  і часто-та в рівній мірі визначають і електричну і магнит-ную зв'язок. Якщо застосувати низькочастотну аппроксима-цию перехідного загасання для обох видів зв'язку, то при Z6l = Zn = Z1 і Zsz = ZlZ = Z2

     

     Формула (3.9) справедлива для.з?Д);>1. Якщо останнє -неравенство не виконується, в (3.9) замість \g(2d/D) сле-дует підставити 0,434arcch(d/D). Розберемо наступні випадки:

     tf=10A, (d+h) fd=l, l (далеко рознесені пари), d=h, (d+h)/d=2 (близько розташовані пари), d=20D, 2dfD = 40 (далеко рознесені пари), d=l9lD9 2d/D=2t2 (близько розташовані пари), rf=l, 01D, 2dfD = 2yQ2  (дуже близько   розташовані пари).

     На  підставі рівняння (3.9) можна скласти  мат-рицу:

             

     По  цій матриде побудовані графіки (мал. 3.13), при-чем сама верхня пряма  відповідає найбільшій відстані між  ланцюгами, нижня - найменшому. Як видно з мал. 3.13, якщо твір ZiZ2^300 Ом2, то переважає магнітний зв'язок, а якщо ZiZ2^107 Ом2, - електрична. У області 300 Om2^Z, Z2<107 Ом2 ха-рактер зв'язку визначається геометрією дротів.

     Приведені міркування відносяться до паралельних дротів. Проте, якщо одна або обидві пари скручено, магнітний зв'язок істотно зменшується і прямі ли-нии на мал. 3.13 помітно зрушаться вниз і вліво (до Z1Z2&I Ом2). З іншого боку', якщо одну або обидві пари помістити в екран, то істотно зменшиться электри-ческая зв'язок і прямі лінії на мал. ЗЛЗ зрушаться вгору і управо (ro ZiZz^lO12 Ом2).

     

 
 
 

                 Мал. 3.13. Взаємний вплив ланцюгів на частотах нижче 100 кГц.

     Приведемо декілька схем, використовуваних на частотах близько 100 кГц. Ланцюг, показаний на мал. 3.14, а має велику площу петли,-образованной "прямим" прово-дом і "землею". Цей ланцюг схильний передусім маг-нитному впливу. Екран заземлений на одному кінці і не захищає від магнітного впливу. Перехідне загасання для цієї схеми приймемо рівним 0 дБ для порівняння із за-туханием схем на мал. 3.14, б-и.

     Схема на мал. 3.14, би практично не зменшує  маг-нитную зв'язок, оскільки зворотний  дріт заземлений з обох кінців, і  в цьому сенсі вона аналогічна схемі на мал. 3.14, а. Міра поліпшення соизмерима з погрешно-стью розрахунку  (виміри). Схема на мал. 3.14, у відрізняється від схеми на мал. 3.14, а наявністю зворотного про-вода - коаксіального екрану, проте екранування магнітного поля погіршене, оскільки ланцюг заземлений на обох кінцях, внаслідок чого з "землею" утворюється петля великої площі. Схема на мал. 3.14, г дозволяє істотно підвищити захищеність ланцюга (- 49 дБ) бла-годаря скручуванню дротів. В цьому випадку (в порівнянні з схемою на мал. 3.14, б) петлі немає, оскільки правий кінець ланцюга .не заземлений. Подальше підвищення защи-щенности ланцюга досягається застосуванням схеми на мал. 3.14,0, коаксіальний   ланцюг    якої  забезпечує

     

     Мал. 8Л4. Порівняння захищеності  різних ланцюгів від  впливу зовнішніх  магнітних і електричних  полів; ланцюги розташовані на відстані 25 мм иад поверхнею нульового потенціалу (приводи-мые цифри не міняються і для інших відстаней) :

     а) 0 дБ;   б) - 2 дБ;   в) -Б дБ;   г) - 49 дБ,   скручена пара,   18 витков'на метр;   о) - 57 дБ;   е) - 64 дБ"   схема   переважна   иа  ВЧ;   ж) - 64 дБ з) - 71 дБ; и) - 79 дБ, скручена пара, 54 витки на метр.

     краще магнітне екранування, чим скручена пара на мал. 3.14, р. Площа петлі в  схемі на мал. 3.14,5 не більше, ніж в  схемі на мал. 3:14, г, оскільки подовжня вісь екрану коаксіального кабелю співпадає з його цен-тральным дротом. Схема на мал. 3.14, е дозволяє по-высить захищеність ціди завдяки тому, що скручен-ная пара заземлена лише на одному кінці. Крім того, в цій схемі використовується незалежний екран. Схема на мал. 3.14, же має ту ж захищеність, що і схема  на мал. 3.14, е: Ефект заземлення екрану на одному   кінці той же, що і при заземленні на обох кінцях, оскільки довжина ланцюга і екрану істотно менше робочої довжини хвилі. Причини поліпшення    захищеності схеми   на мал. 3.14, з в порівнянні з же пояснити важко: Возмож-ной причиною може бути зменшення площі эквива-лентной петлі. Щільніша скрутка'проводов (схема на мал. 3.14, и) дозволяє додатково зменшити маг-нитную зв'язок. Крім того, при цьому зменшується і элек-трическая зв'язок (у обох дротах струми наводяться однаково).

             Згідно мал. 3.15 електричний зв'язок на частоті 60 Гц увеличива-ется при збільшенні со-противления ланцюга.

     Як  видно з мал. 3.16, із зміною частоти  на-водимое напруга уве-личивается з крутизною 20 дБ/декада. Защищен-ность як экранирован-ных,   так і   неэкраниро ванних пар, віддалених від ИП на d=\9 мм, увеличивает-ся несуттєво при застосуванні екрану з магнитоне-проницаемого^матеріалу на частотах нижче 1 кГц  і при

     

     3.15.    Електричний   зв'язок між парами ИП (115 В, 60 Гц) РП завдовжки 3 м, розімкненими на кінці. 

     ■

     

     Мал. 3.16. Електромагнітний зв'язок ^ежду двома  парами дротів діаметром  £>=1,02 мм, завдовжки /= -3 м, опір навантаження 1 кОм :

     Р t ПАарз1 2р<?£оженьг поруч W" 0). /-I - А; 2) d=19 мм/Ч А; 3) пара РП екранована, <*~19 мм/ # ". 1 А- iia          екран заземлений иа одному кон-

     Ж"Г"             тг екран   заземлений   на

     обох  кінцях; 4) d - 19 мм, / т 0,3 А; 5) скручена мережева пара,  d - 19 MM

     i=\   А.                                      ■              ' 

     заземленні  екранованого дроту тільки на одному кінці на частотах нижче 10 кГц. Крім того, згідно мал. cUb скручування мережевих  дротів зменшує маг-нитное вплив  приблизно на 20 дБ.

     Поблизу потужних джерел перешкод кабель стає приймальнею антеною. Найбільш небезпечними є пере-ходные перешкоди - струми, наведені в сусідніх -цепях багатопровідних кабелів.

     Для захисту від зовнішніх електромагнітних полів застосовують коаксіальні  трипровідні кабелі і сим-метричные  екрановані пари.

     Коаксіальний  трипровідний кабель є коаксіальною парою, поміщеною в мідну оплет-ку (екран Фарадея) і ізольованою  від неї. Таким об-разом, обплетення служить екраном, її заземляють, як пока-зано на мал. 3.17, в, завдяки чому "земляні" струми не замикаються через сигнальну пару.

     У трипровідному кабелі з внутрішнім екраном (мал. 3.17, г) екран з'єднується  з внутрішнім проводни-ком біля джерела  сигналу, а на іншому кінці лінії  ізольований і служить екраном  Фарадея між внутрен-ним провідником  і зовнішнім екраном на частотах, для яких Я>>/. В такому кабелі розподілена місткість і відповідно втрати істотно зменшуються. Трех-проводный кабель з внутрішнім екраном ефективно застосовують в НЧ системах передачі даних, де распре-деленная місткість коаксіального кабелю обмежує пропускну спроможність високоомних ланцюгів. Використовують також тільки два зовнішні провідники трипровідного кабелю, які утворюють низькоомну (приблизно 12 Ом) лінію передачі сильноточных імпульсів (наприклад, для управління лазерами або електрозапалюючими пристроями).

     У симетричній екранованій скрині, показаній на мал. 3.17,<5, скручування  запобігає магнітному влия-ние (см раніше) - Крім того, подібно трехпрощэдному кабелю симетрична екранована пара захищена від "земляних" струмів і електричного впливу. Проте таку пару можна застосовувати на частотах до 10 Мгц, оскільки на вищих частотах ростуть втрати передачі. Симетрична екранована цара (з опором 124 Ом) використовується для передачі відеосигналів.

     У слабкострумових системах симетрична экранирован-ная пара дозволяє уникнути перешкод завдяки наявності загальних ділянок різних ланцюгів. Наприклад, таку пару -можно використовувати для передачі сигналів датчика до самописця або гальванометра (мал. 3.17, е) у заземливши її тільки у датчика.

     Подальше  підвищення захищеності симетричної пари .досягають.застосуванням подвійного, екрану у вигляді двох ізольованих обплетень, одну з яких сполучають з корпусом системи, а другу заземляють в грунт (мал. 3.17, ж). Якщо до корпусу апаратури підключити обплетення не можна, то обидва екрани заземляють в грунт в одній точці (мал. 3.17, з). Внутрішній екран залишається изолиро-ванным в усіх інших точках і служить екраном Фа-радея на частотах, для яких

     3.5.   МЕТОДИ ЗМЕНШЕННЯ ВЭМП ПРИ  НАЛАГОДЖУВАЛЬНИХ РОБОТАХ

     В деяких випадках необхідність пригнічення по-мех виникає вже після монтажу лінії. Так, наприклад, при Появі перешкод в кабельному або багатопровідному джгуті, можна застосувати екрани на застібці типу "мол-ния" (мал. 3.18). Ці екрани різних конфігурацій і діаметрів (19-127 мм), що виконуються з лудженого обплетення або мідної плетеної стрічки різної товщини (наприклад, соті долі міліметра) захищають як від магнітних, так і від электрическихполей.

     Застосовують  також екрани з плетеної стрічки, нама-тываемой на кабель. Така стрічка, що виготовляється в ос-новном з лудженого мідного або . омедненной сталевого дроту, має товщину 0,4 мм і ширину 25,4 мм.

     Можливе застосування екранів і із стрічкової фольги, що намотується на джгут. Такий метод екранування простий і дешевий. Щоб стрічкову фольгу можна було закріпити на джгуті, особливо якщо палять гнучкий, одна сто-рона її має бути покрита липким шаром. Крім того, необхідно забезпечити надійний електричний контакт на ділянках перекриття витків стрічки, що особливо важ-но при виконанні магнітного екрану. Стрічкова фоль* га з магнитопроницаемых матеріалів має товщину 0,05,.% 0,25 мм і ширина 12 ., 51 мм, а проникність може досягати р,=80.000.

     Деякі елементи кабельних джгутів виконують  з матеріалів, що стискуються після  нагрівання. Наприклад, існують поліолефінові шланги, внутрішня або зовнішня поверхня яких покрита электропроводя-щим матеріалом. Таким матеріалом може служити се-ребро, яке не відшаровується навіть при максимальному стискуванні після нагріву. Шланги мають діаметр £>=19