Экранирование

Экранирование — это совокупность методов и технических средств, предназначенных для ослабления или полного подавления электромагнитного поля в определённой области пространства. Основная цель экранирования — защита объектов (электронных устройств, людей, биологических сред) от воздействия внешних электромагнитных полей (помех) или, наоборот, предотвращение распространения собственного электромагнитного излучения источника за пределы заданной зоны. Эффект основан на явлениях отражения, поглощения и многократного переотражения электромагнитных волн материалами с высокой проводимостью или магнитной проницаемостью.

История

Первые наблюдения эффекта экранирования относятся к экспериментам с электричеством и магнетизмом XVIII—XIX веков. В 1836 году Майкл Фарадей продемонстрировал, что замкнутая проводящая оболочка (клетка Фарадея) способна полностью блокировать внешнее электростатическое поле, оставаясь при этом электрически нейтральной. В 1870-х годах Джеймс Клерк Максвелл математически описал распространение электромагнитных волн, что позволило теоретически обосновать принципы экранирования.

С развитием радиотехники в начале XX века возникла практическая необходимость защиты радиоприёмников от помех, создаваемых другими устройствами. В 1930-х годах начали широко применяться металлические корпуса для радиоаппаратуры. Во время Второй мировой войны экранирование стало критически важным для военной радиолокации и связи. В послевоенные десятилетия, с ростом числа электронных приборов и появлением компьютеров, проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) привела к стандартизации требований к экранированию в промышленности и бытовой технике. В 1960-х годах были разработаны первые методы измерения эффективности экранирования.

Физические принципы

Экранирование электромагнитного поля основано на двух основных механизмах, действующих одновременно:

Отражение

Электромагнитная волна, встречая на своём пути поверхность проводника (например, металла), испытывает отражение из-за несоответствия волновых сопротивлений сред (воздуха и металла). Чем выше электрическая проводимость материала, тем больше доля отражённой энергии. Этот механизм доминирует на низких частотах (до десятков мегагерц).

Поглощение

Проникшая в толщу материала часть волны затухает за счёт потерь на вихревые токи (токи Фуко) и магнитное перемагничивание (в ферромагнетиках). Толщина скин-слоя (глубина проникновения поля) обратно пропорциональна квадратному корню из частоты и проводимости. На высоких частотах (сотни мегагерц и выше) поглощение становится основным механизмом ослабления.

Эффективность экранирования (SE — Shielding Effectiveness) измеряется в децибелах (дБ) и рассчитывается как сумма вкладов отражения, поглощения и поправок на многократные переотражения. Типичные значения: для бытовой электроники — 20–40 дБ, для военной и медицинской техники — 60–100 дБ и выше.

Классификация экранов

Экраны классифицируются по нескольким признакам.

По типу защищаемого поля

• Электростатические экраны — для защиты от постоянных и медленно меняющихся электрических полей. Изготавливаются из материалов с высокой проводимостью (медь, алюминий) и обязательно заземляются.
• Магнитостатические экраны — для защиты от постоянных магнитных полей (например, от мощных магнитов). Требуют материалов с высокой магнитной проницаемостью (пермаллой, μ-металл).
• Электромагнитные экраны — для защиты от переменных полей широкого диапазона частот. Комбинируют проводящие и магнитные материалы.

По конструктивному исполнению

• Сплошные экраны — замкнутые оболочки (корпуса, камеры, клетки Фарадея). Обеспечивают максимальное ослабление, но требуют герметизации швов и отверстий.
• Сетчатые экраны — выполнены из металлической сетки. Менее эффективны, чем сплошные, но пропускают свет и воздух. Используются в окнах экранированных помещений и для защиты от низкочастотных полей.
• Фольговые и плёночные экраны — тонкие слои металла или металлизированных полимеров. Применяются в гибких кабелях, упаковке, одежде.
• Композитные экраны — многослойные структуры, сочетающие проводящие и магнитные слои для работы в широком диапазоне частот.

По назначению

• Промышленные экраны — для обеспечения ЭМС оборудования (серверные, производственные линии).
• Медицинские экраны — для защиты пациентов и аппаратуры (МРТ, физиотерапия).
• Военные и специальные экраны — для защиты от электромагнитного импульса (ЭМИ), радиоэлектронной борьбы, разведки.
• Бытовые экраны — для защиты от бытовых приборов, мобильной связи, Wi-Fi.

Материалы

Выбор материала для экрана определяется частотным диапазоном, требуемой эффективностью и условиями эксплуатации.

• Медь — высокая проводимость, хорошее отражение и поглощение на средних и высоких частотах. Применяется в виде листов, фольги, сетки.
• Алюминий — лёгкий, дешёвый, с хорошей проводимостью. Уступает меди по эффективности на низких частотах. Используется в корпусах и фольге.
• Сталь — высокая магнитная проницаемость, эффективна для магнитных полей низких частот. Тяжёлая и дорогая в обработке.
• Пермаллой (сплав никеля и железа) — максимальная магнитная проницаемость, применяется для экранирования постоянных и низкочастотных магнитных полей (например, в МРТ).
• Ферриты — керамические материалы с высокой магнитной проницаемостью на высоких частотах. Используются в виде втулок или пластин для подавления помех на кабелях.
• Токопроводящие полимеры и ткани — композиты с углеродными или металлическими наполнителями. Применяются для гибких экранов, одежды, упаковки.

Применение

В электронике и электротехнике

Экранирование является обязательным требованием для большинства электронных устройств. Корпуса компьютеров, телевизоров, сотовых телефонов, медицинских приборов изготавливаются из металла или металлизированного пластика для снижения излучения и защиты от внешних помех. Экранированные кабели (коаксиальные, витая пара с фольгой) предотвращают утечку сигнала и наводки. Внутри устройств применяются экранирующие вставки, прокладки и фильтры.

В строительстве и архитектуре

Экранированные помещения (камеры, комнаты, здания) используются для проведения чувствительных измерений, испытаний, а также для защиты от промышленных помех. Стены, полы и потолки таких помещений покрываются металлическими листами или сеткой, а двери и окна оснащаются специальными уплотнителями и сетками. В России существуют нормативы по электромагнитной безопасности жилых и общественных зданий (СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03).

В медицине

Экранирование критически важно для работы магнитно-резонансных томографов (МРТ). Само помещение с томографом экранируется от внешних радиопомех, а также для защиты персонала и пациентов от сильного магнитного поля. В физиотерапии и хирургии используются экранирующие накидки и фартуки для защиты от излучения.

В военной и аэрокосмической сфере

Экранирование применяется для защиты бортовой электроники самолётов, спутников, ракет от электромагнитного импульса (ЭМИ) ядерного взрыва или мощных источников помех. Специальные экраны также используются для защиты от радиоэлектронной разведки и создания защищённых каналов связи.

В быту

Бытовые экранирующие материалы включают защитные чехлы для смартфонов, ноутбуков, а также специальные шторы и обои с металлизированным покрытием. Существуют также экранирующие краски и спреи, которые наносятся на стены для снижения уровня Wi-Fi-излучения. Однако эффективность таких средств часто невысока и зависит от правильности применения.

Критика и ограничения

Экранирование не является универсальным решением. Его эффективность снижается при наличии отверстий, щелей, неметаллических вставок (например, пластиковых панелей) в экране. Низкочастотные магнитные поля (например, от линий электропередач) экранируются крайне трудно и требуют толстых ферромагнитных материалов. Кроме того, экранирование может создавать проблемы с тепловыделением и вентиляцией внутри защищённого объёма.

В быту чрезмерное увлечение экранированием иногда связывают с псевдонаучными представлениями о «вредном излучении» всех электронных устройств. Научные исследования показывают, что уровни излучения от бытовой техники, как правило, соответствуют санитарным нормам, и дополнительное экранирование не требуется. Однако для людей с электромагнитной гиперчувствительностью (признанным ВОЗ состоянием, но не имеющим однозначного медицинского подтверждения) экранирование может быть одним из способов снижения дискомфорта.

Источники

• ГОСТ Р 51317.6.1-2006 (МЭК 61000-6-1:2005) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в жилых, коммерческих зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением. Требования и методы испытаний».
• СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи».
• К. С. Демирчян, Л. Р. Нейман, Н. В. Коровкин, В. Л. Чечурин. «Теоретические основы электротехники». — М.: Высшая школа, 2006.
• В. П. Дьяконов, А. А. Широков. «Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств». — М.: Радио и связь, 1990.
• Paul, C. R. «Introduction to Electromagnetic Compatibility». — John Wiley & Sons, 2006.