Schermatura del campo magnetico a magneti permanenti, schermatura del campo magnetico alternato

Per ridurre l'intensità del campo magnetico di un magnete permanente o di un campo magnetico alternato a bassa frequenza con correnti alternate in una determinata regione dello spazio, utilizzare schermatura magnetica… Rispetto a un campo elettrico, che è abbastanza facilmente schermato dall'applicazione Cellule di Faraday, il campo magnetico non può essere completamente schermato, può essere indebolito solo in una certa misura in un determinato punto.

In pratica, ai fini della ricerca scientifica, in medicina, in geologia, in alcuni campi tecnici legati allo spazio e all'energia nucleare, spesso vengono schermati campi magnetici molto deboli, induzione che raramente supera 1 nT.

Stiamo parlando sia di campi magnetici permanenti che di campi magnetici variabili su un'ampia gamma di frequenze. L'induzione del campo magnetico terrestre, ad esempio, non supera in media i 50 μT; tale campo, insieme al rumore ad alta frequenza, è più facile da attenuare mediante schermatura magnetica.

Quando si tratta di schermare campi magnetici vaganti nell'elettronica di potenza e nell'ingegneria elettrica (magneti permanenti, trasformatori, circuiti ad alta corrente), spesso è sufficiente localizzare una parte significativa del campo magnetico piuttosto che cercare di eliminarlo completamente. Scudo ferromagnetico — per la schermatura di campi magnetici permanenti ea bassa frequenza

Il primo e più semplice modo per proteggere il campo magnetico è l'uso di uno scudo ferromagnetico (corpo) sotto forma di cilindro, foglio o sfera. Il materiale di un tale guscio deve avere elevata permeabilità magnetica E bassa forza coercitiva.

Quando tale schermo è posto in un campo magnetico esterno, l'induzione magnetica nel ferromagnete dello schermo stesso risulta essere più forte che all'interno dell'area schermata, dove l'induzione sarà corrispondentemente inferiore.

Consideriamo un esempio di schermo a forma di cilindro cavo.

La figura mostra che le linee di induzione del campo magnetico esterno che penetrano nella parete dello schermo ferromagnetico si ispessiscono al suo interno e direttamente nella cavità del cilindro, quindi le linee di induzione risulteranno più rarefatte. Cioè, il campo magnetico all'interno del cilindro rimarrà minimo. Per le prestazioni di alta qualità dell'effetto richiesto, vengono utilizzati materiali ferromagnetici con elevata permeabilità magnetica, come ad esempio permaloid o mu-metal.

A proposito, il semplice ispessimento della parete dello schermo non è il modo migliore per migliorarne la qualità.Molto più efficaci sono gli schermi ferromagnetici multistrato con spazi tra gli strati che compongono lo schermo, dove il coefficiente di schermatura sarà uguale al prodotto dei coefficienti di schermatura per i singoli strati - la qualità di schermatura di uno schermo multistrato sarà migliore dell'effetto di uno strato continuo con spessore pari alla somma degli strati superiori.

Grazie agli schermi ferromagnetici multistrato è possibile realizzare sale schermate magneticamente per vari studi. Gli strati esterni di tali schermi sono costituiti in questo caso da ferromagneti, che si saturano ad alti valori di induzione, mentre i loro strati interni sono di mu metal, permaloid, metglass, ecc. — da ferromagneti che si saturano a valori inferiori di induzione magnetica.

Scudo di rame - per schermare campi magnetici alternati

Se è necessario schermare un campo magnetico alternato, vengono utilizzati materiali ad alta conduttività elettrica, come ad esempio Miele.

In questo caso, il campo magnetico esterno variabile indurrà correnti di induzione nello schermo conduttivo, che coprirà lo spazio del volume protetto, e la direzione dei campi magnetici di queste correnti di induzione nello schermo sarà opposta al campo magnetico esterno , la cui protezione è così disposta. Pertanto, il campo magnetico esterno sarà parzialmente compensato.

Inoltre, maggiore è la frequenza delle correnti, maggiore è il coefficiente di schermatura. Di conseguenza, per frequenze più basse e ancor più per campi magnetici costanti, gli schermi ferromagnetici sono i più adatti.

Il coefficiente di setacciatura K, in funzione della frequenza del campo magnetico alternato f, della dimensione dello schermo L, della conduttività del materiale del setaccio e del suo spessore d, può essere approssimativamente ricavato dalla formula:

Applicazione di schermi superconduttori

Come sai, un superconduttore è in grado di allontanare completamente il campo magnetico da se stesso. Questo fenomeno è noto come Effetto Meissner… Secondo Regola di Lenz, qualsiasi cambiamento nel campo magnetico nel superconduttore genera correnti di induzione che, con i loro campi magnetici, compensano la variazione del campo magnetico nel superconduttore.

Se lo confrontiamo con un normale conduttore, allora in un superconduttore le correnti di induzione non si indeboliscono e quindi sono in grado di esercitare un effetto magnetico compensatore per un tempo infinitamente (teoricamente) lungo.

Gli svantaggi del metodo possono essere considerati il ​​​​suo costo elevato, la presenza di un campo magnetico residuo all'interno dello schermo che era presente prima del passaggio del materiale allo stato superconduttore, nonché la sensibilità del superconduttore alla temperatura. In questo caso, l'induzione magnetica critica per i superconduttori può raggiungere decine di tesla.

Metodo di schermatura con compensazione attiva

Per ridurre il campo magnetico esterno, è possibile creare appositamente un campo magnetico aggiuntivo uguale in grandezza ma in direzione opposta al campo magnetico esterno da cui si vuole schermare una determinata area.

Ciò si ottiene attraverso l'implementazione speciali bobine di compensazione (bobine di Helmholtz) - una coppia di identiche bobine di trasporto di corrente disposte coassialmente che sono separate da una distanza del raggio della bobina. Tra tali bobine si ottiene un campo magnetico abbastanza uniforme.

Per ottenere la compensazione dell'intero volume di una determinata area, sono necessarie almeno sei bobine di questo tipo (tre coppie), che vengono posizionate in base a un compito specifico.

Applicazioni tipiche di un tale sistema di compensazione sono la protezione contro i disturbi a bassa frequenza generati dalle reti elettriche (50 Hz), nonché la schermatura del campo magnetico terrestre.

Tipicamente, sistemi di questo tipo funzionano in combinazione con sensori di campo magnetico. A differenza degli schermi magnetici, che riducono il campo magnetico insieme al rumore nell'intero volume delimitato dallo schermo, la protezione attiva mediante bobine di compensazione consente di eliminare i disturbi magnetici solo nell'area locale su cui è sintonizzata.

Indipendentemente dal design del sistema di interferenza antimagnetica, ognuno di essi necessita di una protezione antivibrante, poiché le vibrazioni dello schermo e del sensore contribuiscono alla generazione di ulteriori interferenze magnetiche dallo stesso vibrovaglio.