问题36:低频磁场能屏蔽吗？

发布时间：2007-07-23　　　点击次数：

    低频磁场很难屏蔽。磁力线可以穿透我们生活中常见的材料或物体（如木材、砖瓦、石块、水泥等材料或人体、墙壁、树木等物体），并基本上不因上述物体或材料的存在而产生畸变或消弱。

    为了描述带电导线中的电流在周围空间中产生磁场的大小，物理上引入了磁场强度的概念，它是一个矢量，一般用符号H表示，其单位是安培/米（A/m）。而单位磁场强度在周围空间感应出磁通密度的大小（通常用磁感应强度B表示）是不同的，它取决于磁场闭合环路中各种介质的导磁能力。磁感应强度与磁场强度的关系为

B=μH=μrμ0H（3-1）

式中：μ被称为物质的磁导率；μ0被称为真空磁导率，其值为4π×10-7H/m；μr称为物质的相对磁导率。不同材料具有不同的磁导率。

    根据磁导率的大小，一般可以把材料分为弱磁性材料和强磁性材料两大类。弱磁性材料包括顺磁性材料和抗磁性材料；强磁性材料常见的为铁磁材料、亚铁磁材料。

    抗磁性材料在无外加磁场时对外不显磁性，在外加磁场的作用下会产生一个同外加磁场方向相反的磁场。抗磁性材料的μr略小于1，这类材料如汞、铜、硫、金、银、锌、铅等。顺磁性材料在无外加磁场时几乎不显磁性，在外加磁场的作用下材料内的原子运动会产生一个同外加磁场方向相同的磁场。顺磁性材料的μr略大于1，这类材料如锰、铬、铂、氮等。铁磁材料在外加磁场时，材料内的原子在被称为“交换耦合”的量子效应下，对外显现出非常强烈的磁性，铁磁材料主要是含铁、镍、钴和稀有金属钆、铽等的材料。亚铁磁性材料在外磁场作用下的磁性弱于铁磁性材料，但其导电性能较铁磁性材料强，亚铁磁性材料有铁氧体等。表3-9列出了一些材料的磁化特性。

表3-9  典型材料的磁性能

    在相同的外加激励（即相同的磁场强度）下，不同材料中磁感应强度不相同，磁场向相对磁导率大的物体集中，相对磁导率较大的材料中的磁感应强度较大。

    在实际中主要有两种低频磁场的屏蔽方法，即磁屏蔽方法和涡流屏蔽（也称电磁屏蔽）方法。

    磁屏蔽方法的基本原理主要是利用具有高磁导率的磁性材料作为屏蔽材料，将一个局部空间利用高磁导率材料的壳体包裹起来，使磁场集中于壳体磁性材料内，而减弱壳体内部的空间磁场，从而实现屏蔽外界磁场的目的。这就是磁屏蔽方法的基本原理。

    为了说明磁屏蔽的效果，让我们举一个利用厚度1cm的球壳作为磁屏蔽的例子。设在均匀的恒定磁场B0中，放置一个内半径a为1m、外半径b为1.01m即厚度为1cm的铁磁材料制作的球壳，铁磁材料的相对磁导率为500。计算可知球壳内的磁场感应强度为

B=9/〔2μr(1-a³/b³)〕*B0=9/〔2×500×1-1³/1.01³〕*B0

                                =0.034B0                                      （3-2）

    可见，采用厚1cm的铁磁材料作为磁屏蔽后，球壳内的磁场比未屏蔽时下降了97.6%。

    由上可见，除了少数实验研究场合外，在实际工程环境中是绝不可能采用如此厚的铁磁材料壳体将某个空间包裹起来的。文献介绍了采取用铁磁材料平板或角料组成不完整的遮蔽或隔离体，以削弱室内局部空间中外界磁场的研究结果。结果表明，采用厚2mm的钢板（尺寸约4m×3m）或高导磁性的硅钢片（厚0.35mm，双层），只可能使室内局部空间中磁感应强度比外界分别降低10%和20%。

    涡流屏蔽方法的基本原理主要是利用导电材料中感应的涡电流（简称涡流）产生的反向磁场来抑制外磁场，实现减小低频磁场的目的。

    图3-16给出了涡流屏蔽原理的示意图，从图中可以看出，交变磁场在金属壳体感应出涡流。涡流将趋向于抵消外磁场的作用，即表现出抗磁性，从而使金属壳体中被保护空间的磁场较没有壳体时大大降低。

图3-16  涡流屏蔽原理示意图

图3-17  金属板对外磁场的衰减

    图3-17说明了交变磁场在金属板中的衰减情况。通过计算金属板内部不同深度处的磁场随与金属板表面的距离（z）的增加而逐渐减少，其数学表达式为

H=H0e^-z/δ

其中，δ称为金属板的集肤深度，可以通过下式进行计算，即

δ=〔1/（πfσμ0μr）〕^1/2

其中，f表示交变磁场的变化频率，σ是金属板的电导率。利用上述公式可以得出，从金属板表面到一个集肤深度处的磁场大小为

H=H⁰e^-1=0.368H0

即在金属板内的集肤深度处，磁场衰减到没有金属板时的36.8%。表3-10给出了三种不同材料在不同频率时的集肤深度。

表3-10  常用材料的集肤深度          mm

    由表3-10可见，利用金属屏蔽的涡流效应屏蔽磁场的作用也是很有限的。以铝板为例，对50Hz磁场，屏蔽铝板厚度达12mm时，磁场才可被削弱至外界强度的36.8%。

    文献对室内屋顶与隔墙采用厚3mm的铝板（尺寸为2m×2.8m），基本未见任何屏蔽效果，仅在将铝板与高磁性材料结合，并在室内全方位组成复杂的兼有磁屏蔽和涡流屏蔽的屏蔽结构时，室内磁场才可降至外界磁场的36％～85%，就其效果而言，代价是很昂贵的。

    为了实现有效的屏蔽，需要进行复杂的设计和计算。由于需要使用昂贵的材料（如铜、铁氧体等），所以高性能的屏蔽室一般非常昂贵。目前仅在科研、医疗或在电磁干扰对特殊设备产生影响的少数场合使用。图3-18给出了一个实际磁屏蔽室的照片。

图3-18  实际磁屏蔽室

(a) 建设中的磁屏蔽室;(b) 使用中的磁屏蔽室