Каковы критерии выбора металла для локализации электромагнитного поля с минимальными потерями
Обновлено: 17.05.2024
Для предотвращения утечки информации по радиоэлектронным техническим каналам утечки информации, вызванных ПЭМИН и радиозакладными устройствами, на опасных направлениях применяют электромагнитные экраны. Физические процессы при экранировании отличаются в зависимости от вида поля и частоты его изменения.
Различают электрические экраны для экранирования электрического поля, магнитные для экранирования магнитного поля и электромагнитные — для экранирования электромагнитного поля. Способность экрана ослаблять энергию полей оценивается эффективностью экранирования (коэффициентом ослабления). Если напряженность поля до экрана равна Е0 и Н0, а за экраном — Еэ и Нэ, то Se = EQ / еэ и sh = Н0 / Нэ. На практике эффективность экранирования измеряется в децибелах (дБ) и неперах (Нп): sc(h) = 201g[E0(H0) / Ез(Н$ [дБ] или Se(H) = ln[E0(H0) / Еэ(Н )] [Нп].
Аналитические зависимости эффективности экранирования определены для идеализированных (гипотетических) моделей экранов в виде бесконечно плоской однородной токопроводящей поверхности, однородной сферической токопроводящей поверхности и однородной бесконечно протяженной цилиндрической токопроводящей поверхности. Для других вариантов эффективность экранирования определяется с погрешностью, зависящей от степени их подобия гипотетическим.
1. При экранировании электрического поля электроны экрана под действием внешнего электрического поля перераспределяются таким образом, что на поверхности экрана, обращенной к источнику поля, сосредоточиваются заряды, противоположные по знаку зарядам источника, а на внешней (другой) поверхности экрана концентрируются одинаковые с зарядами источника поля (рис. 12.1).
Положительные заряды на рис. 12.1 создают вторичное электрическое поле, близкое по напряженности к первичному. С целью исключения вторичного поля, создаваемого зарядами на внешней поверхности экрана, экран заземляется и его заряды компенсируются зарядами земли. Экран приобретает потенциал, близкий потенциалу земли, а электрическое поле за экраном существенно уменьшается. Полностью устранить поле за экраном не удается из-за неполной компенсации зарядов на его внешней стороне вследствие ненулевых значений сопротивления в экране и цепях заземления, а также из-за распространения силовых линий вне границ экрана.
Рис. 12.1. Экранирование электрического поля
Эффективность экранирования зависит от электропроводности экрана и сопротивления заземления. Чем выше проводимость экрана и цепей заземления, тем выше эффективность электрического экранирования. Толщина экрана и его магнитные свойства на эффективность экранирования практически не влияют.
2. Экранирование магнитного поля достигается в результате действия двух физических явлений:
• «втягивания» (шунтирования) магнитных силовых линий поля в экран из ферромагнитных материалов (с jj,» 1), обусловленного существенно меньшим магнитным сопротивлением материала экрана, чем окружающего воздуха;
* возникновением под действием переменного экранируемого поля в токопроводящей среде экрана индукционных вихревых токов, создающих вторичное магнитное поле, силовые линии которого противоположны магнитным силовым первичного поля.
Магнитное сопротивление пропорционально длине магнитных силовых линий и обратно пропорционально площади поперечного сечения рассматриваемого участка и величине магнитной проницаемости среды (материала), в которой распространяются магнитные силовые линии. При втягивании магнитных силовых линий в экран уменьшается их напряженность за экраном. В результате этого повышается коэффициент экранирования.
При воздействии на экран переменного магнитного поля в материале экрана возникают также ЭДС, создающие в материале экрана вихревые токи в виде множества замкнутых колец. Кольцевые вихревые токи создают вторичные магнитные поля, которые вытесняют основное и препятствует его проникновению вглубь металла экрана. Экранирующий эффект вихревых токов тем выше, чем выше частота поля и больше сила вихревых токов.
Коэффициент экранирования магнитной составляющей поля представляет собой сумму коэффициентов экранирования, обусловленного рассмотренными физическими явлениями. Но доля слагаемых зависит от частоты колебаний поля. При f = 0 экранирование обеспечивается только за счет шунтирования магнитного поля средой экрана. Но с повышением частоты поля все сильнее проявляется влияние на эффективность экранирования вторичного поля, обусловленного вихревыми токами в поверхности экрана. Чем выше частота, тем больше влияние на эффективность экранирования вихревых токов.
В силу разного влияния рассмотренных физических явлений магнитного экранирования отличаются требования к экранам на низких и высоких частотах. На низких частотах (приблизительно до единиц кГц), когда преобладает влияние первого явления, эффективность экранирования зависит в основном от магнитной проницаемости материала экрана и его толщины. Чем больше значения этих характеристик, тем выше эффективность магнитного экранирования. Для экрана, например, в виде куба эффективность магнитного экрана можно оценить по формуле:
где d — толщина стенок экрана; D — размер стороны экрана кубической формы.
Эффективность экранирования за счет вихревых токов зависит от их силы, на величину которой влияет электрическая проводимость экрана. В свою очередь это сопротивление прямо пропорционально электрическому сопротивлению материала экрана и обратно пропорционально его толщине. Однако по мере повышения частоты поля толщина материала экрана, в которой протекают вихревые токи уменьшаются из-за так называемого поверхностного или скин-эффекта. Сущность его обусловлена тем, что внешнее (первичное) магнитное поле ослабевает по мере углубления в материал экрана, так как ему противостоит возрастающее вторичное магнитное поле вихревых токов. Напряженность переменного магнитного поля уменьшается по мере проникновения его в металл экрана на глубину х от его поверхности по экспоненциальному закону:где о — эквивалентная глубина проникновения, соответствующая ослаблению напряженности магнитного поля в 2,72 раза и вычисляемая по формуле:
где р — удельное электрическое сопротивление материала экрана в Ом • мм 2 /м; f— частота магнитного поля в Гц; ц — относительная магнитная проницаемость материала экрана.
Уменьшение эквивалентной глубины проникновения при увеличении ц обусловлено тем, что ферромагнитные материалы «втягивают» силовые магнитные линии первичного поля, в результате чего повышаются концентрация магнитных силовых линий и, следовательно, напряженность магнитного поля внутри материала экрана. В результате этого повышаются уровни индуцируемых в нем зарядов, следствием чего является увеличение значений вихревых токов и напряженности вторичного магнитного поля. Таким образом, глубина проникновения тем меньше, чем выше частота поля, удельная магнитная проницаемость и электрическая проводимость металла экрана.
На высоких частотах эффективность магнитного экранирования в дБ экраном толщиной d в мм можно определить, подставив в Sn= 20 Ig (Hx / H0)выражение для Нх. В результате такой подстановки и преобразования легко получить, что
Однако это выражение может использоваться для приближенной оценки эффективности экранирования при условии, что значение d соизмеримо с а. Если d » а, то изтза поверхностного эффекта увеличение d слабо влияет на эффективность экранирования, так как вторичное магнитное поле создают вихревые токи в поверхностном слое экрана.
Следовательно, для обеспечения эффективного магнитного экранирования на высоких частотах следует для экранов использовать материалы с наибольшим отношением ц / р, учитывая при этом, что с повышением f сопротивление из-за поверхностного эффекта возрастает в экспоненциальной зависимости. На высоких частотах глубина проникновения может быть столь малой, а сопротивление столь велико, что применение материалов с высокой магнитной проницательностью, например пермаллоя, становится нецелесообразным. Для f > 10 МГц значительный экранирующий эффект обеспечивает медный экран толщиной всего 0,1 мм. Для экранирования магнитных полей высокочастотных контуров усилителей промежуточной частоты бытовых радио- и телевизионных приемников широко применяют алюминиевые экраны, которые незначительно уступают меди по удельному электрическому сопротивлению, но существенно их легче. Для высоких частот толщина экрана определяется в основном требованиями к прочности конструкции.
Кроме того, на эффективность магнитных экранов влияет конструкция самого экрана. Она не должна содержать участков с отверстиями, прорезями, швов на пути магнитных силовых линий и вихревых токов, создающих им дополнительное сопротивление.
Так как магнитное экранирование обеспечивается за счет токов, а не зарядов, магнитные экраны не нуждаются в заземлении.
3. Физические процессы при электромагнитном экранировании рассматриваются на модели, представленной на рис. 12.2.
Рис. 12.2. Электромагнитное экранирование
Электромагнитное экранирование обеспечивается за счет отражения части от экрана и поглощения части, проникшей в экран электромагнитного поля. Следовательно, эффективность экранирования 8э = 8%отр + 8эпогл, где 8эотр= Ј S — эффективность
экранирования за счет отражения электромагнитной волны от поверхности экрана; 8э погл = ^ 8э погл. —эффективность экраниро-
вания за счет поглощения электромагнитной волны в экране.
Эффективность экранирования в дБ за счет отражения электромагнитного поля рассчитывается по формуле:
Величина эффеншнншли экранирования в дБ за счет поглощения в экране толщиной d мм оценивается по формуле:
Последнее выражение совпадает с приблизительной формулой, определяющей эффективность магнитного экранирования за счет вторичного поля. Это подтверждает утверждение, что поглощение электромагнитного поля обусловлено, прежде всего, потерями энергии вихревых токов в материале экрана. Как следует из приведенных формул, в зависимости от частоты, показателей магнитных и электрических свойств материала экрана влияние отражения и поглощения на разных частотах существенно отличается. На низких частотах наибольший вклад в эффективность экранирования вносит отражение от экрана электромагнитной волны, на высоких — ее поглощение в экране. Доля этих составляющих в суммарной величине эффективности электромагнитного экранирования одинаковая для немагнитных (ц, ~ 1) экранов на частотах в сотни кГц (для меди — 500 кГц), для магнитных (ц » 1) — на частотах в доли и единицы кГц, например для пермаллоя — 200 Гц. Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование электромагнитной волны за счет поглощения, а немагнитные, но с малым значением удельного сопротивления — за счет отражения.
Кроме того, учитывая, что электромагнитная волна содержит электрическую и магнитную составляющие, то при электромагнитном экранировании проявляются явления, характерные для электрического и магнитного экранирования.
Следовательно, на низких частотах материал для экрана должен быть толстым, иметь высокие значения магнитной проницаемости и электропроводности. На высоких частотах экран должен иметь малые значения электрического сопротивления, а требования к его толщине и магнитной проницаемости материала существенно снижаются. Для обеспечения экранирования электрической составляющей электромагнитный экран .надо заземлять.
Контрольные вопросы и задания
Дайте определение проводника с точки зрения теории ЭМП.
Всегда ли металлы являются проводниками?
Дайте объяснение скин-эффекту в проводниках.
Какова скорость движения электронов в проводнике при постоянном токе?
Укажите основные особенности частотной характеристики и дайте характеристику поведения импеданса проводника.
Дайте характеристику граничным условиям для идеального проводника.
Каковы критерии выбора металла для экранирования пространства от ЭМП?
Каковы критерии выбора металла для локализации ЭМП с минимальными потерями?
Почему групповую скорость ЭМВ в металле можно принять равной нулю?
Выведите формулу сопротивления проводника с квадратной формой сечения для случая сильного скин-эффекта. Сравните с результатом для проводника с круглой формой поперечного сечения.
Можно ли использовать микроволновую печь для нагрева металлов?
Дайте сравнительную характеристику распространения ЭМВ в идеальных диэлектриках, диэлектриках с потерями и проводниках.
Тема 8. Эмв в реальных средах. Поляризация эмв
Общая схема анализа ЭМП в реальной среде.
Поляризация волн. Линейно поляризованные волны. Волны с круговой и эллиптической поляризациями. Связь линейной и круговой поляризации. Понятие о поляризационной селекции сигналов. Кросс-поляризация.
Указания к теме
Для решения практических задач чрезвычайно важно хорошо представлять особенности распространения ЭМВ в различных средах, уметь правильно классифицировать среды, рассчитывать основные характеристики и параметры ЭМВ в них. Среди различных факторов, влияющих на скорость распространения волны и ее затухание, следует обратить внимание на их зависимость от частоты.
Необходимо выучить определения поляризации ЭМВ и ее разновидностей, научиться правильно определять поляризацию ЭМВ.
Основные сведения
Общая схема анализа ЭМВ в реальных средах. ЭМП в виде плоских ЭМВ в заданной среде удобно анализировать по следующей схеме.
1. Находим tg по формуле (2.15).
Классифицируем среду (диэлектрик, проводник, полупроводник) в зависимости от значения tg по формулам (2.16).
2. Находим и по формулам для соответствующего вида среды:
общий случай и полупроводник – (5.13) и (5.14);
диэлектрик – (6.1) и (6.2);
3. Находим характеристики ЭМВ (групповая и фазовая скорость, длина волны, затухание, волновое сопротивление и т. п.) и записываем формулу плоской ЭМВ (5.11) или (5.12) для соответствующей среды:
полупроводник – тема 5, формулы (5.15)–(5.20), (5.22)–(5.24);
диэлектрик – тема 6, формулы (6.3)–(6.5);
проводник – тема 7, формулы (7.2)–(7.4).
Поляризацию ЭМВ определяют по ориентации вектора .
Плоскостью поляризации называют плоскость, проходящую через направление распространения и вектор . Считаем, что осьx ориентирована горизонтально, а ось y – вертикально. Достаточно рассмотреть поведение , так как связь сизвестна:.
Запишем мгновенное значение в ДСК:
. (8.1)
Линейно поляризованной называют волну, у которой направление вектора (а значит, и)не изменяется с течением времени. Если в формуле (8.1) B = 0, то имеет толькогоризонтальную составляющую, в этом случае ЭМВ имеет горизонтальную поляризацию. Если в формуле (8.1) A = 0, то имеет тольковертикальную составляющую, в этом случае ЭМВ поляризована вертикально.
Поляризация называется эллиптической, если проекция вектора на плоскость, перпендикулярную направлению распространения, представляет собойэллипс (рис. 8.1).
Если фазовый сдвиг между компонентами составляет = /2+n, то конец вектора с течением времени опишетэллипс.
Пусть x = 0, тогда Ex , аEy . В этом случае
представляет собой эллипс с полуосями A и B.
Эллиптическую поляризацию можно получить сложением двух ЭМВ ортогональных линейных поляризаций.
Круговая поляризация (проекция на плоскость, перпендикулярную направлению распространения, естькруг) – частный случай эллиптической, когда полуоси эллипса равны между собой. При этом амплитуда ЭМВ остается постоянной ().Угол между мгновенным значением и осьюx определяется соотношением [1, 11]
. (8.2)
Из соотношения (8.2) следует, что в каждой фиксированной точке наблюдения в плоскости z=const угол линейно возрастает со скоростью с течением времени, изменяясь на 2 за время одного периода T (T = 2).
Направление вращения определяется поведением проекции данного вектора на плоскостьx0y (z = const). Если смотреть в направлении распространения ЭМВ, и вектор вращаетсяпо часовой стрелке (рис. 8.1, 8.3), то такая поляризация называется правовинтовой. Если вращение происходит против часовой стрелки (рис. 8.1, 8.2), то эта поляризация – левовинтовая [1, 2].
Круговая поляризация может быть получена суммированием двух ЭМВ ортогональных линейных поляризаций с равными амплитудами. Верно и обратное свойство: эллиптически или линейно поляризованную ЭМВ можно получить суммированием двух волн с круговой поляризацией и противоположными направлениями вращения (рис. 8.4).
Р поляризационную селекцию сигналов. В каждом конкретном случае выбирается основная поляризация. В этом случае поляризация, ортогональная основной, будет паразитной. В идеале ЭМВ паразитная поляризация не должна приниматься антенной, настроенной на основной вид поляризации. Однако реально полностью подавить паразитную поляризацию не удается. На неоднородностях на трассе распространения ЭМВ и линии передачи может происходить изменение характеристик поляризации, что приводит к кросс-поляризации.
Например, в радиолокации для уменьшения мешающих отражений от водяных паров в атмосфере (гидрометеоров) используют разделение по поляризации. Если правовинтовая поляризация выбрана как основная, то в конструкцию антенны включают поляризационную систему, которая с минимальным ослаблением пропускает ЭМВ основной поляризации, но существенно ослабляет паразитную (левовинтовую) поляризацию.
Список рекомендуемой литературы: [1, гл. 10, с. 52–55; 2, с. 60–62; 3, гл. 10, с. 48–51; 4, с. 44–47; 5, с. 30–32; 6, с. 146–153; 7, с. 86–90; 9, с. 134–137; 10, с. 134–138; 11, с. 139–143; 12, с. 155–162; 13, с. 76–180].
Дайте определение диэлектрика с точки зрения теории ЭМП.
Какие разновидности диэлектриков можно выделить в зависимости от молекулярной структуры вещества и ЭМ свойств?
Дайте определение поляризуемости и намагниченности вещества.
На какие группы делятся вещества в зависимости от их магнитных свойств?
Укажите физические основы микроволнового нагрева.
Как определяется оптимальная частота при диэлектрическом нагреве?
Сравните характеристики распространения ЭМВ в диэлектриках с потерями, без потерь и в проводящих средах.
Тема 7. Эмп в проводниках
Коэффициенты фазы и ослабления при большом tg. Длина волны. Фазовая и групповая скорость. Волновое сопротивление. Проникновение ЭМП в проводник, поверхностный эффект, глубина проникновения.
Сопротивление цилиндрического провода. Случай слабо и сильно выраженного поверхностного эффекта. Частотная характеристика поведения импеданса проводника. Понятие поверхностного импеданса.
Приближённые граничные условия Леонтовича, условия их применимости. Расчет потерь энергии в проводниках. Понятие экрана для ЭМП. Выбор материала проводников для экранирования и локализации ЭМП.
Для решения практических задач необходимо хорошо представлять особенности распространения ЭМВ в проводящих средах, уметь рассчитывать основные характеристики волнового процесса в этих средах: скорость распространения, длину волны, коэффициенты затухания и фазы, волновое сопротивление и другие. Следует обратить особое внимание на зависимость этих параметров от частоты.
Необходимо изучить явление скин-эффекта в проводниках, законы распределения векторов электрического и магнитного поля по сечению проводника, а также поведение частотной характеристики активного и реактивного сопротивлений проводников. Следует запомнить формулировки граничных условий для проводников, критерии выбора материалов для экранирования и локализации ЭМП.
Если , то в формулах (5.13) и (5.14) можно пренебречь единицей, что в итоге дает:
. (7.1)
Анализ показывает, что при ВЧ и выше коэффициент затухания в проводнике достигает значительных величин ( пропорционален ). Соответственно глубина проникновения ЭМП в проводник () составляет мкм (УВЧ) и мм (на ВЧ). Таким образом, ЭМП в проводник не проникает, концентрируясь в тонком поверхностном слое, называемом скин-слоем. Данное явление называют скин-эффектом (англ. skin – оболочка, кожа).
. (7.2)
. (7.3)
При прохождении в проводнике расстояния, равного , ЭМВ испытывает очень большое затухание . Поэтому пространственная периодичность поля ЭМВ в проводнике отсутствует, иvгр 0.
. (7.4)
В имеет примерно одинаковые по модулю активную и реактивную части, поскольку при tg > 10 для проводников > 84. Комплексное волновое сопротивление проводника имеет активно-индуктивный характер, поскольку отстает по фазе отна 45.
Например, для меди при частоте ЭМП 1 МГц (0 = 300 м) получаем = = 1,5 10 4 (1/м), vф = 420 (м/с), = 4,2 10 –4 (м), = 67 (мкм), vгр = 0, Zc = 3,7 10 –4 exp (i/4) (Ом) [1].
Сопротивление проводников на высоких частотах. В случае постоянного тока сопротивление проводника цилиндрической формы можно описать формулой (a – радиус проводника):
. (7.5)
На ВЧ и выше (при сильном скин-эффекте) ЭМП концентрируется в тонком поверхностном слое (рис. 7.1), что приводит к уменьшению площади поперечного сечения проводника (Sэкв = S0 – Sвн), по которой протекает ток
. (7.6)
Обобщая выражение (7.6) для проводника с произвольной формой сечения, при сильном скин-эффекте получим
, (7.7)
где pr – периметр поперечного сечения проводника.
Из отношения (7.6) к (7.5) можно найти относительное увеличение активного сопротивления проводника с ростом частоты:
. (7.8)
При расчетах на ВЧ и выше (f f1) используют формулу (7.8) (Rвч и Xвч), а при f < f1считают, что Z1 = R0. Значение f1 соответствует частоте, на которой = 0,5a.
. (7.9)
Распределение магнитного поля по проводнику H имеет аналогичный характер, поэтому иногда говорят и о магнитном скин-эффекте.
Для металлического листового проводника (размеры проводника много больше его толщины d) для сильного скин-эффекта получаем
. (7.10)
Таким образом, напряженность ЭМП и плотность тока в цилиндрическом проводнике уменьшаются с увеличением расстояния от поверхности медленнее, чем при плоской граничной поверхности, поскольку ЭМВ распространяются к оси проводника по радиусам навстречу друг другу [1–4]. В целом для ОВЧ и выше можно считать, что ЭМП в проводник практически не проникает, что позволяет упростить граничные условия.
Граничные условия для идеального проводника. Данные граничные условия получаются из общих граничных условий, при этом считается, что ЭМП не проникает во вторую среду – идеальный проводник (= 0,= 0).
, (условиеП. Дирихле), ,. (7.11)
Последнюю формулу (7.11) чаще записывают в виде
(условие К. Неймана). (7.12)
Из формулы (7.12) следует, что на границе с проводником имеет экстремум (максимум).
При анализе ЭМП на границе важную роль играет поверхностный импеданс (векторы напряженностей ЭМП параллельны границе раздела):
; . (7.13)
Поверхностный импеданс на границе раздела с оптически очень плотной средой равен ее Zв (приближенное граничное условие М. Леонтовича) [2]. Из граничных условий (7.11) следует, что наводит поверхностные токи.
Выбор материала проводников для экранирования и локализации ЭМП. Так как ЭМВ быстро затухает в проводнике, металлические проводники можно использовать для экранирования какой-либо области пространства от воздействия ЭМП или, наоборот, для локализации ЭМП в определенной области пространства (например, в объемном резонаторе). Так как толщина скин-слоя для металла из-за больших значений составляет доли миллиметра даже для ВЧ, экраном небольшой толщины можно существенно ослабить действие ЭМП.
Например, медный экран толщиной 1 мм ослабляет ЭМВ частотой 5 кГц в 2,9 раза (на 9,2 дБ), а ЭМВ частотой 1 МГц – в 3,110 6 раз (на 130 дБ). Пользуясь формулами (5.15) или (5.16), можно при заданной частоте рассчитать ослабление ЭМП, создаваемое экраном определенной толщины, или, наоборот, вычислить толщину экрана из выбранного материала при заданном ослаблении ЭМП.
Следует отметить, что на ОВЧ и выше экранирующий эффект определяется в основном отражением ЭМВ от экрана, а не ослаблением.
Проанализируем с помощью формул (5.16) и (7.1), какими свойствами должен обладать материал экрана для получения максимального ослабления ЭМП. При заданной частоте и толщине экрана, получаем пропорциональность
~ . (7.14)
Таким образом, для получения максимального ослабления желательно выбирать магнитный материал с высокой проводимостью.
Следует учесть, что большие значения у трансформаторных сталей достигаются только на НЧ, а с ростом частоты значение (f) резко уменьшается, и для экранирования ВЧ ЭМП эти материалы неэффективны.
Проанализируем, при каких параметрах потери в проводниках будут минимальны. Токи проводимости в проводнике наводятся .
В случае сильного скин-эффекта в проводнике плотность потока мощности тепловых потерь с учетом условия Леонтовича описывается формулой [1, 2]
. (7.15)
Для листового проводника площадью S с помощью формулы (7.15) можно рассчитать мощность тепловых потерь, наводимых ЭМП в металле [1, 2]
. (7.16)
Данная формула не учитывает краевых эффектов. Считается, что площадка S находится в средней части протяженного металлического листа [1, 2].
Из выражения (7.16) получим зависимость мощности потерь от параметров металлического проводника
~ . (7.17)
Из формулы (7.17) следует, что для минимальных потерь в металлическом проводнике, который находится под воздействием ЭМП, следует использовать немагнитный материал с высокой проводимостью.
Список рекомендуемой литературы: [1, гл. 9, с. 45–51; 2, с. 57–59, 105–113; 3, гл. 9, с. 41–48; 4, с. 39–44; 5, с. 38–41; 6, с. 145–146, 185–189; 7, с. 109–114; 9, с. 65–68, 172–176, 283–284; 10, с. 65–68; 11, с. 138–139, 163–174; 12, с. 195–204, 217–219; 13, с. 176–177, 211–222].
Методы и средства защиты от электромагнитных полей
При выборе защиты персонала или населения от электромагнитных излучении необходимо учитыватьособенности производства, условия эксплуатации оборудования, рабочий диапазон частот, характер выполняемых работ, интенсивность поля, продолжительность облучения и др.
Защита персонала от воздействия радиоволнприменяется при всех видах работ, если условия работы не удовлетворяют требованиям норм.Эта защита осуществляется следующими способами и средствами:
· использованием согласованных нагрузок и поглотителей мощности, снижающих напряженность и плотность потока энергии электромагнитных волн;
· экранированием рабочего места и источника излучения или увеличением расстояния от рабочего места до источника излучения;
· рациональным размещением оборудования в рабочем помещении;
· подбором рациональных режимов работы оборудования и режима труда персонала;
· применением средств предупредительной защиты.
Основными видами средств коллективной защиты от воздействия электрического поля токов промышленной частоты являются экранирующие устройства. Они изготовляются стационарными и переносными.Стационарноеэкранирующее устройство- составная часть электрической установки, предназначенная для защиты персонала в открытых распределительных устройствах (ОРУ) и воздушных линиях электропередач (ВЛ). Конструктивно экранирующие устройства оформляются в виде козырьков, навесов или перегородок из металлических канатов, прутков, сеток.
Наряду со стационарными и переносными экранирующими устройствами применяют индивидуальные экранирующие комплекты. Они предназначены длязашиты от воздействия электрического поля, напряженность которого не превышает 60 кВ/м, создаваемого электроустановками напряжением 400, 500 и 750 кВ и частотой 50 Гц.
В состав экранирующих комплектов входят: спецодежда, спецобувь, средства защиты головы, а также рук и лица.
В целом, для снижения интенсивности поля в рабочей или жилой зоне рекомендуетсяприменять различные инженерно-технические способы и средства, а также организационные и лечебно-профилактические мероприятия.
В качестве инженерно-технических методов и средств применяются: экранирование излучателей, помещений или рабочих мест; уменьшение напряженности и плотности потока энергии в рабочей или жилой зоне за счет уменьшения мощности источника (если позволяют технические условия) и использования ослабителей (аттенюаторов) мощности и согласованных нагрузок (например, эквивалентов антенн); применение средств индивидуальной защиты.
При экранированиииспользуются такие явления, как поглощение электромагнитной энергий материалом экрана и ее отражение от поверхности экрана. Поглощение ЭМП обусловливается тепловыми потерями в толще материала и зависит от электромагнитных свойств материала экрана (электрической проводимости и др.). Отражение обусловливается несоответствием электромагнитных свойств воздуха (или другой среды, в которой распространяется электромагнитная энергия) и материала экрана.
Проводники являются хорошими поглотителями электромагнитной энергии.
При попадании ЭМП на границу раздела сред, характеризующихся различными свойствами, электромагнитная энергия частично проходит через нее, продолжая распространяться в новой среде, а частично отражается.
Металлы характеризуются и как хорошие отражатели электромагнитной волны. Для изготовления экранов применяют либо тонкие металлические (сталь, алюминий, медь, сплавы) листы,либо металлические сетки.
Большая отражательная способность металлов, обусловленная значительным несоответствием электромагнитных свойств воздуха и металла, в ряде случаевможет оказаться нежелательной, т.к. может увеличить интенсивность поля в рабочей зоне и влиять на режим работы генератора (излучателя). Поэтому в подобных случаях следует применять экраны с малым коэффициентом отражения специальной конструкции, так называемыепоглощающие экраны.
Организационные мероприятия включают в себя:
· требования к персоналу (возраст, медицинское освидетельствование, обучение, инструктаж и т.п.);
· выбор рационального взаимного размещения в рабочем помещении оборудования, излучающего ЭМ энергию, и рабочих мест;
· установление рациональных режимов работы оборудования и обслуживающего персонала во времени;
· защита временем (ограничение работы оборудования во времени и сокращение времени на проведение наладочных и ремонтных работ);
· защита расстоянием - удаление рабочего места от источника ЭМП (когда имеется возможность использовать дистанционное управление оборудованием);
· применение средств предупреждающей сигнализации (световой, звуковой и т.п.) и др.
Лечебно-профилактические мероприятиянаправлены на предупреждение заболевания, которое может быть вызвано воздействием ЭМП, а также своевременное лечение работающих при обнаружении заболевания.
Для предупреждения профессиональных заболеваний у лиц, работающих в условиях ЭМП, применяются такие меры, как предварительный (для поступающих на работу) и периодический (не реже одного раза в год) медицинский контроль за состоянием, а также мер, способствующих повышению устойчивости организма к действию ЭМП.
Медицинский контроль позволяет выявить людей с такими патологическими изменениями в организме, при которых работа в условиях облучения ЭМП противопоказана, и определить необходимость проведения лечения. К мероприятиям, способствующим повышению резистентности организма к ЭМП, могут быть отнесены регулярные физические упражнения, рационализация времени труда и отдыха, а также использование некоторых лекарственных препаратов и общеукрепляющих витаминных комплексов.
Для локализации ЭМП внутреннихисточниковприменяютсяэлектрогерметичные помещения, аппаратные и кабины, представляющие собой замкнутые электромагнитные экраны. В таких помещениях экранируются стены, потолок, пол, оконные и дверные проемы и вентиляционные системы. Такие помещения и кабины могут использоваться для защиты от внешних полей.
При защите помещений от внешних излученийприменяется склеивание стен специальными обоями, засетчивание окон, использование специальных металлизированных штор и т.д.Для изготовления экранных штор, драпировок, чехлови других защитных изделий, так же как и для изготовления защитной одежды (комбинезонов, халатов, капюшонов и т.п.), применяются радиотехнические ткани, в структуре которых имеются тонкие металлические нити, образующие сетку размерами ячейки 0,5х0,5 мм.
В качестве экранирующего материала для световых проемов, приборных панелей, смотровых окон, так же как и для защитных очков, применяется оптически прозрачное стекло, покрытое полупроводниковой двуокисью олова. Световые проемы или смотровые окна могут экранироваться металлической сеткой.
При конструировании замкнутых экранов в диапазоне СВЧиногда возникает необходимость предусматривать в них различного рода отверстия: вентиляционные окна, отверстия для проводов питания, ручек управления и т.п., которые не должны нарушать электромагнитную герметичность экрана и снижать его эффективность.
По условиям проникновения электромагнитной энергии СВЧ-диапазона, отверстия в экранах могут быть разделены на три основных типа:
· малые отверстия различной формы без металлических выводов через них (например, смотровые и вентиляционные окна). Такие отверстия представляют собой открытые концы волноводов, через которые излучается энергия СВЧ;
· малые отверстия, через которые проходят провода электропитания или металлические ручки управления. Такие отверстия можно рассматривать как отрезки коаксиальных линий, хорошо проводящих СВЧ-энергию;
· щели, продольные размеры которых заведомо больше длины волны (периметр дверей, вентиляционные жалюзи и т.п.), являются щелевыми излучателями.
Эффективным способом экранирования щелей в широком диапазоне частот являетсяприменение поглощающих прокладок по всей длине щели либо обеспечение плотного электрического контакта по всему периметру щели.
Экраны должны быть снабженыэлектроблокировкой, исключающей подачу высокочастотной энергии при открытии экрана.
Классификация источников излучений оптического диапазона. Нормирование инфракрасного и ультрафиолетового излучений, приборы и методы контроля. Средства и методы защиты от инфракрасного и ультрафиолетового излучений.
Термином изучения оптического диапазона называется изучение видимого диапазона волн, а также граничащих с ним диапазонов инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ).
Источниками ИК - излучения является ряд элементов и узлов радиоаппаратуры – электровакуумные, полупроводниковые и квантовые приборы, индуктивности, резисторы, трансформаторы, соединительные провода и тому подобное.
ИК - излучение, которое поступает на тело человека, действует в первую очередь на незащищенные его части (лицо, руки, шею, грудь, глаза). Основным его действием является тепло, которое проникает на некоторую глубину в ткани.
УФ – излученияназывают электромагнитные излучения в оптической части с длиной волны в диапазоне 200-380 нм.
Природными источниками УФ - излучения является солнце. Искусственными источниками являются электрические дуги, лазеры, газоразрядные источники света.
Генерация ультрафиолетового излучения начинается при температуре тела около 1200 °С, а его интенсивность увеличивается с повышением температуры.
Все УФ - излучения принято разделять на три части (А,В,С) в зависимости от длины волны:
А – λ = 380-315 нм;
В - λ = 315-280 нм;
С - λ = 280-200 нм.
УФ - излучение имеет незначительную проникающую способность. Оно задерживается верхними слоями кожи человека. УФ - излучение необходимо для нормальной жизнедеятельности человека. Из-за длительного отсутствия УФ - излучения в организме человека развивается негативное явление, которое получило название «светового голодания».
В то же время длительное действие значительных доз УФ - излучения может привести к поражению глаз и кожи. Длительное действие УФ - излучения длиной волны 200-280 нм может привести к образованию раковых клеток. УФ - излучение оказывает влияние на центральную нервную систему, вызывает головную боль, повышение температуры, нервное возбуждение, изменения в крови.
Источником оптического излучения называют устройство, преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона спектра. В светотехнике за источник излучения принимают не только те тела, которые являются самосветящимися, но также и тела, отражающие или пропускающие свет. Самосветящиеся тела называются первичными источниками, источники отраженного или проходящего излучения - вторичными.
Классификация источников излучения может осуществляться по различным признакам, например:
а) по размеру источников излучения;
б) по характеру распределения силы излучения в пространстве (по форме фотометрического тела);
в) по спектральному распределению потока излучения (световому потоку);
г) по времени действия излучения;
д) по цветовой температуре.
Источники делятся на искусственные и естественные.
Искусственные источники света - технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным предназначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция).
Естественные источники света - это природные материальные объекты и явления, основным или вторичным свойством которых является способность испускать видимый свет. В отличие от естественных источников света, искусственные источники света являются продуктом производства человека или других разумных существ. К естественным или природным источникам света прежде всего относят: Солнце, Луну, планеты, кометы, полярные сияния, атмосферные электрические разряды, биолюминесценцию живых организмов, свет звезд и иных космических объектов, свечение окисляющихся органических продуктов и минералов, и проч. Естественные источники света играют первостепенную роль в существовании жизни на земле и других планетах, и оказывают значительное воздействие на окружающую среду.
Все параметры источников излучения можно разбить на две группы: технические и эксплуатационные. Технические параметры - это те, которые характеризуют сам источник света безотносительно к условиям его применения. К техническим относятся все электрические, световые и механические параметры ламп.
Нормирование инфракрасного излучения осуществляется по интенсивности допустимых интегральных потоков излучения с учетом спектрального состава, размера облучаемой площади, защитных свойств спецодежды для продолжительности действия в соответствии с ГОСТ 12.1.005—88 и Санитарными правилами и нормами СН 2.2.4.548—96 «Гигиенические требования к микроклимату Производственных помещений».
Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать 35 Вт/м 2 при облучении 50% поверхности тела и более, 70 Вт/м 2 - при величине облучаемой поверхности от 25 до 50% и 100 Вт/м 2 - при облучении не более 25% поверхности тела.
Интенсивность теплового облучения работающих от открытых источников (нагретый металл, стекло, “открытое” пламя и др.) не должна превышать 140 Вт/м 2 , при этом облучению не должно подвергаться более 25% поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.
Допустимая интенсивность облучения на постоянных и непостоянных местах дана в табл.
Таблица Допустимая интенсивность облучения
| Источник излучения | Облучаемая поверхность тела человека ,% | Интенсивность теплового излучения. Вт/м 2 |
| Нагретые поверхности технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции | 50 и более 25-50 Не более 25 | |
| Открытые источники (нагретый металл, стекло, открытое пламя и др) | Не более 25 |
Контроль ИК излучения осуществляется оптимометрами, ИК спектрометрами (ИКС-10, 12, 14) а также спектрорадиометрами СРМ.
Нормирование ультрафиолетового излучения осуществляется по СН 4557-88, которые устанавливают допустимые плотности потока излучения в зависимости от длины волн при условии защиты органов зрения и кожи.
Допустимая интенсивность облучения работающих принезащищенных участках поверхности кожи не более 0,2 м 2 (лицо,шея, кисти рук) общей продолжительностью воздействия излучения 50% рабочей смены и длительности однократного облучениясвыше 5 мин не должно превышать 10 Вт/м 2 для области 400-280 нм и0,01 Вт/м 2 — для области 315-280 нм.
При использовании специальной одежды и средств защиты лицаи рук, не пропускающих излучение, допустимая интенсивностьоблучения не должна превышать 1 Вт/м 2 .
Измерение интенсивности и спектра УФ- излучений производится с помощью прибора УФ- дозиметров и инфракрасных спектрометров ИКС-10, ИКС-12, ИКС-14..
Глубина проникновения электромагнитного поля
Этот вопрос имеет практическую направленность поскольку с ним связаны вопросы экранирования защищаемых электромагнитных полей, распространения радиоволн по подземным и подводным радиотрассам, электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и оценка поверхностного эффекта (скин-эффекта) высокочастотных токов, протекающих в проводящих средах.
Если на металлическую пластину, т.е. реальный проводник σ описывается выражением для среды
с потерями:
Рисунок 3.15– Проникновение ЭМП в проводящую среду
Обозначим толщину слоя металла, пройдя которую амплитуда ЭМП убывает в eраз через ∆ и будем называть её глубиной проникновения поля в металл. Величину ∆ определим из:
e = ,(3.23)
Можно показать, что коэффициент затухания в реальном
проводнике имеет вид:
α=Тогда, глубина проникновения поля в металл запишется:
∆= Расчеты, выполненные для реальных проводников таких как серебро, медь, золото, алюминий, показывают, что величина ∆ очень мала. Так для серебра (σ = 6,25·при длине волны облучающего поля 3 см, т.е. ⨍ = 10 ГГц, глубина проникновения поля ∆ составляет всего 1,9 мкм. Таким образом, СВЧ ток протекает не по всему сечению проводника, а по тонкому поверхностному слою (скин-эффект, «skin» с англ. «кожа»). Причем чем выше частота электромагнитных колебаний, тем тоньше проводящий слой, в котором течет высокочастотный ток.
3.5.5. Логарифмические единицы ослабления[3]
Убывание амплитуды поля с расстоянием принято характеризовать логарифмическими единицами ослабления.
Ослаблению в 1 Нп (непер) соответствует такое расстояние ƶ = ∆, на котором амплитуда напряженности поля прошедшей волны уменьшается в ераз.
Ослаблению в 1 Б (бел) соответствует такое расстояние, на котором мощность волны уменьшается в 10 раз. Единица, в десять раз меньшая 1 Б, называется децибелом (1 Б = 10 дБ).
Число 20 lgе= 8,69дает соотношение между обеими единицами измерения:
1 НпКонтрольные вопросы
1.Какая среда называется идеальным диэлектриком?
2.Что такое Т волна?
3.Запишите решение волнового уравнения в случае идеального диэлектрика для вектора4.Запишите и поясните выражение для фазовой скорости.
5.Что являетсяхарактерным признаком волнового процесса?
6.Поясните параметры волнового процесса.
7.Дайте определение поляризации электромагнитной волны.
8.Какие виды поляризации электромагнитной волны Вы знаете?
9.Сформулируйте условия получения круговой поляризации.
10.Записать и пояснить смысл выражений для векторов11.Пояснить основные особенности плоских волн в среде с потерями:
12.Чем отличается вид ЭМВ, распространяющейся в среде с потерями вдоль оси Оz ,от ЭМВ, распространяющейся в среде без потерь?
13.Сформулируйте законы Снеллиуса.
14.Пояснить смысл коэффициентов отражения и преломления ЭМВ.
15.Как распространяетсяв пространстве возле идеально проводящей поверхности ЭМВ?
16. Что такое глубина проникновения электромагнитного поля в проводящую среду?
Читайте также: