靜磁屏蔽

靜磁場是穩(wěn)恒電流或永久磁體產(chǎn)生的磁場。靜磁屏蔽是利用高磁導(dǎo)率μ的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場。它與靜電屏蔽作用類似而又有不同。

靜磁屏蔽的原理可以用磁路的概念來說明。如將鐵磁材料做成截面如上圖的回路，則在外磁場中，絕大部份磁場集中在鐵磁回路中。這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯(lián)磁路來分析。因?yàn)殍F磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率要大幾千倍，所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，外磁場的磁感應(yīng)線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過，而進(jìn)入空腔的磁通量極少。這樣，被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒有外磁場，從而達(dá)到靜磁屏蔽的目的。材料的磁導(dǎo)率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈顯著。因常用磁導(dǎo)率高的鐵磁材料如軟鐵、硅鋼、坡莫合金做屏蔽層，故靜磁屏蔽又叫鐵磁屏蔽。

靜磁屏蔽在電子器件中有著廣泛的應(yīng)用。例如變壓器或其他線圈產(chǎn)生的漏磁通會對電子的運(yùn)動產(chǎn)生作用，影響示波管或顯像管中電子束的聚焦。為了提高儀器或產(chǎn)品的質(zhì)量，必須將產(chǎn)生漏磁通的部件實(shí)行靜磁屏蔽。在手表中，在機(jī)芯外罩以軟鐵薄殼就可以起防磁作用。

前面指出，靜電屏蔽的效果是非常好的。這是因?yàn)榻饘賹?dǎo)體的電導(dǎo)率要比空氣的電導(dǎo)率大十幾個數(shù)量級，而鐵磁物質(zhì)與空氣的磁導(dǎo)率的差別只有幾個數(shù)量級，通常約大幾千倍。所以靜磁屏蔽總有些漏磁。為了達(dá)到更好的屏蔽效果，可采用多層屏蔽，把漏進(jìn)空腔里的殘余磁通量一次次地屏蔽掉。所以效果良好的磁屏蔽一般都比較笨重。但是，如果要制造絕對的"靜磁真空"，則可以利用超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)。即將一塊超導(dǎo)體放在外磁場中，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B永遠(yuǎn)為零。超導(dǎo)體是完全抗磁體，具有最理想的靜磁屏蔽效果，但到2013年還不能普遍應(yīng)用。

電磁屏蔽是抑制干擾，增強(qiáng)設(shè)備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。合理地使用電磁屏蔽，可以抑制外來高頻電磁波的干擾，也可以避免作為干擾源去影響其他設(shè)備。如在收音機(jī)中，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界時變場的干擾從而避免雜音。音頻饋線用屏蔽線也是這個道理。示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場不影響電子射線的掃描。在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設(shè)備。

用什么材料作電磁屏蔽呢?因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快，把由導(dǎo)體表面衰減到表面值的1/e(約36.8%)處的厚度稱為趨膚厚度(又稱透入深度)，用d表示，有

d=5030*sqr(σ/(μ*f))

其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。若電視頻率f=100 MHz，對銅導(dǎo)體(σ=5.8×107/ ·m，μ≈μo=4π×10-7H/m)可求出d=0.00667mm?？梢娏紝?dǎo)體的電磁屏蔽效果顯著。如果是鐵(σ=107/ ·m)則d=0.016mm。如果是鋁(σ=3.54×107/ ·m)則d=0.0085mm。

為了得到有效的屏蔽作用，屏蔽層的厚度必須接近于屏蔽物質(zhì)內(nèi)部的電磁波波長(λ=2πd)。如在收音機(jī)中，若f=500kHz，則在銅中d=0.094mm(λ=0.59mm)。在鋁中d=0.12mm(λ=0.75mm )。所以在收音機(jī)中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果。因?yàn)殡娨曨l率更高，透入深度更小些，所需屏蔽層厚度可更薄些，如果考慮機(jī)械強(qiáng)度，要有必要的厚度。在高頻時，由于鐵磁材料的磁滯損耗和渦流損失較大，從而造成諧振電路品質(zhì)因素Q值的下降，故一般不采用高磁導(dǎo)率的磁屏蔽，而采用高電導(dǎo)率的材料做電磁屏蔽。在電磁材料中，因趨膚電流是渦電流，故電磁屏蔽又叫渦流屏蔽。

機(jī)械手表里的機(jī)芯都是鋼制的。如果手表放在磁鐵附近，鋼制機(jī)芯就會磁化。特別是當(dāng)游絲磁化后，

表馬上就會停止不走。因此，手表需要外罩一種能防御磁力，使磁場透不過的物質(zhì)。 有意思的是，能夠遮住外磁場的物質(zhì)，原來就是容易磁化的鐵本身。為了證明這一點(diǎn)，你可把一個小指南針放在一個鐵環(huán)里，可以看到小磁針就不會被環(huán)外的磁鐵吸引了。所以，如果你有一塊用鐵或鋼做外殼的手表，就可以保護(hù)表內(nèi)的鋼制機(jī)件不受磁力影響。即使將表放在強(qiáng)磁場附近，它的精確度一點(diǎn)也不會降低。至于用金或銀做外殼的金表和銀表，雖然很貴重，但是千萬不能放到磁鐵附近，因?yàn)樗荒芊来拧?可見，用鐵制包皮就能把外面的磁場遮住，使內(nèi)部不受外磁場的影響，放在其中的鐵制品也就不會被磁化。這種現(xiàn)象在物理學(xué)中稱為磁屏蔽。

例如右圖，是磁屏蔽示意圖。圖中A為一磁導(dǎo)率很大的軟磁材料(如坡莫合金或鐵鋁合金)做成的罩，放在外磁場中。由于罩殼磁導(dǎo)率μ比空氣導(dǎo)磁率μ大得多，所以絕大部分磁場線從罩殼的壁內(nèi)通過，而罩殼內(nèi)的空腔中，磁感線是很少的。這就達(dá)到了磁屏蔽的目的。為了防止外界磁場的干擾，常在示波管、顯像管中電子束聚焦部分的外部加上磁屏蔽罩，就可以起到磁屏蔽的作用。

電子設(shè)備中，有些部件需要防止外界磁場的干擾。為解決這種問題，就要用鐵磁性材料制成一個罩子，把需防干擾的部件罩在里面，使它和外界磁場隔離，也可以把那些輻射干擾磁場的部件罩起來，使它不能干擾別的部件。這種方法稱為磁屏蔽，如右圖所示。由于用鐵制的屏蔽外殼磁阻很小，它就為外界干擾磁場提供了通暢的磁路，使磁力線都通過鐵殼短路而不再影響被屏蔽在里面的部件。

這種現(xiàn)象也可以用下例說明，如圖所示，把一塊軟鐵放入磁場中，這塊軟鐵由于被磁化而產(chǎn)生了磁場，其方向如右下圖所示，在這塊軟鐵的內(nèi)部，外磁場和被磁化的軟鐵所產(chǎn)生新磁場方向一致，而在鐵塊外部，兩個磁場方向相反，相互抵消，結(jié)果就使磁力線的分布變成如圖(b)的樣子。屏蔽鐵殼就是利用這種現(xiàn)象，把磁力線都吸引到鐵殼中來，保護(hù)了罩內(nèi)設(shè)備不受外界磁場的干擾，或者是防止了罩內(nèi)的輻射磁場的部件去干擾罩外部件。

在實(shí)踐中，要達(dá)到完全的屏蔽是極不容易的?？傆幸恍┐艌鲆┻M(jìn)屏蔽罩內(nèi)或者跑出屏蔽罩外。要達(dá)到好的屏蔽效果，必須選用導(dǎo)磁系數(shù)高的材料，如坡莫合金，硅鋼片等，而且不要太薄，屏蔽罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接縫要盡量少，在制作時接縫處要緊密，盡量減少氣隙?？傊帘握值拇抛柙叫∑帘涡Ч胶?。如果在低頻交變磁場中，需要進(jìn)行屏蔽時，例如電源變壓器需要屏蔽時，都是按以上磁屏蔽的原則處理的。屏蔽要求較高時，還可以采用多層屏蔽。

但在高頻交變磁場中，屏蔽原理就完全是另一種概念。這時是利用渦流現(xiàn)象，以導(dǎo)電材料制成屏蔽罩。在高頻干擾磁場中，屏蔽罩中會產(chǎn)生渦流。由于渦流產(chǎn)生的磁場有抵消外磁場的作用，當(dāng)外磁場的交變頻率越高，產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象越嚴(yán)重，從而抵消外界磁場的作用越大。所以在進(jìn)行高頻屏蔽時，不必用很厚的鐵磁性材料去作屏蔽罩，而是用導(dǎo)電性好的銅片或鋁片來作屏蔽罩，對要求高的屏蔽罩，常是在銅殼上再鍍一層銀，提高屏蔽罩導(dǎo)電性能，則屏蔽效果就更好。