Ⅰ 屏蔽電磁波輻射的方法
電磁屏蔽技術的方法盤點
電磁屏蔽技術就是防止電子設備或者電子元器件之間產生電磁場感應干擾的一種技術。主要有三種方法:
1、靜電屏蔽
靜電屏蔽:為了避免外界電場對儀器設備的影響,或者為了避免電器設備的電場對外界的影響,用一個空腔導體把外電場遮住,使其內部不受影響,也不使電器設備對外界產生影響,這就叫做靜電屏蔽。
在靜電平衡狀態下,不論是空心導體還是實心導體;不論導體本身帶電多少,或者導體是否處於外電場中,必定為等勢體,其內部場強為零,這是靜電屏蔽的理論基礎。圖1所示為未接地和接地的情況。
可採用空腔導體(金屬殼、金屬網)來實現靜電屏蔽。若空腔導體不接地,則為外屏蔽,即可以屏蔽外電場對於空腔以內的元器件的影響,但不能屏蔽空腔以內的電場對於外界的影響。因為這時如果空腔以內有帶電體,則將在空腔內壁上、以及外表上都感生出等量的異號電荷——感生電荷,這些感生電荷的電場可以對外界產生影響。
若空腔導體接地,則為全屏蔽,即既可以屏蔽外電場對於空腔以內的元器件的影響,也可以屏蔽空腔以內的電場對於外界的影響。因為這時空腔以內的電場強度總是為0,則即使有電荷存在,使得空腔的內、外表面都有感生電荷,但其外表面的感生電荷通過地線而與大地中和了,相應地內表面的感生電荷及其影響也就消除了。
把電子儀器的金屬外殼接地,在某些連接導線或者通訊電纜的外麵包覆一層金屬網(即成為屏蔽線),在電源變壓器的初級繞組和次級繞組之間放置一不閉合的金屬薄片,在高壓變壓器外面加設金屬網等,這些方法都是為了達到靜電屏蔽的目的。
2、靜磁屏蔽
靜磁場是穩恆電流或永久磁體產生的磁場。靜磁屏蔽是利用高磁導率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圖2(b)的迴路,則在外磁場中,絕大部份磁場集中在鐵磁迴路中。這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為並聯磁路來分析。因為鐵磁材料的磁導率比空氣的磁導率要大幾千倍,所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多,外磁場的磁感應線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內通過,而進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,從而達到靜磁屏蔽的目的。材料的磁導率愈高,筒壁愈厚,屏蔽效果就愈顯著。因常用磁導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。
靜磁屏蔽是為了排除靜磁場干擾的一種電磁屏蔽技術,這可以採用磁導率很大的鐵磁材料製作而成的空殼(屏蔽罩)來實現。圖2為有無磁屏蔽示意圖。
因為當把鐵磁空殼放置在外磁場中時,外磁場的磁感應線將要發生畸變,即磁感應線會聚集在殼層中(這是由於磁場在殼層中誘導出的磁化電流所產生的附加磁場與外磁場相疊加的結果),而空殼內部的磁場卻很弱。從而利用鐵磁空殼即可屏蔽外磁場的影響。這種方法對於低頻磁場也具有良好的屏蔽作用。
為了提高靜磁屏蔽的效果,就應該增大磁性材料的磁導率和增大屏蔽罩的厚度,或者採用多層屏蔽罩。3、電磁屏蔽
在電磁場(電磁波)中,導體表面將要吸收、損耗電磁場的能量,使得電磁場的傳播從導體表面往裡面是指數式衰減的(即電場和磁場的振幅是指數式衰減),這種現象就是趨膚效應。利用趨膚效應即可阻止高頻電磁波進入導體內部,以實現電磁屏蔽,因此可採用適當厚度的金屬來製作電磁屏蔽罩。由於趨膚電流是一種渦流,所以電磁屏蔽又稱為渦流屏蔽。
為了獲得有效的電磁屏蔽效果,導體屏蔽層的厚度必須接近於電磁場的趨膚深度。電導率越高的材料,趨膚深度就越小。對於500kHz的廣播頻率,銅和鋁的趨膚深度分別約為0.094mm和0.12mm,因此較薄的銅片或鋁片就能夠實現較好的屏蔽了;對於更高頻率的電磁場,還可以使用更薄的材料。
對於高頻電磁場,一般不採用鐵磁材料,因為鐵磁材料有較大的磁滯損耗和渦流損失,會造成諧振迴路品質因數(Q值)下降,故較多的是採用高電導率材料的電磁屏蔽。圖3是電磁屏蔽示意圖。
對於工頻(50Hz)的電磁場,因為銅和鋁的趨膚深度分別增大為9.45mm和11.67mm,故採用銅和鋁的電磁屏蔽就不再合適了。如果採用Fe來製作屏蔽罩的話,由於電磁場在鐵中的衰減遠快於銅和鋁,所以只需要較薄的鐵片即可。實際上,這時已經轉化成靜磁屏蔽。
可見,電磁屏蔽與靜電屏蔽有一定的共同點,即都是採用高電導率的金屬來製作屏蔽罩。但也有不同點,即靜電屏蔽只能消除電容耦合,防止靜電感應的影響,而且屏蔽罩必須接地;而電磁屏蔽是利用渦流來阻止電磁場的透入,並消除電磁場的干擾,屏蔽罩可不必接地。不過,因為電磁屏蔽的屏蔽罩增加了靜電耦合,所以為了避免這種不良影響,把屏蔽罩還是接地為好,這時實際上在電磁屏蔽的同時也起到了靜電屏蔽的作用。
總體而言,靜電屏蔽、靜磁屏蔽、電磁屏蔽的物理內容、物理條件、屏蔽作用均不同,所用材料也需視具體情況而定。
關於電磁污染標準的學界爭論還在繼續,但我們還需在各種電磁輻射環境中工作與生活,作為這世界上平凡而弱小生命的一員,人們又該如何預防並減輕電磁輻射對自身的傷害呢?
1、提高自我保護意識,重視電磁輻射可能對人體產生的危害,多了解有關電磁輻射的常識,學會防範措施,加強安全防範。如:對配有應用手冊的電器,應嚴格按指示規范操作,保持安全操作距離等。
2、不要把家用電器擺放得過於集中,或經常一起使用,以免使自己暴露在超劑量輻射的危害之中。特別是電視、電腦、冰箱等電器更不宜集中擺放在卧室里。
3、各種家用電器、辦公設備、行動電話等都應盡量避免長時間操作。如電視、電腦等電器需要較長時間使用時,應注意至少每1小時離開一次,採用眺望遠方或閉上眼睛的方式,以減少眼睛的疲勞程度和所受輻射影響。
4、當電器暫停使用時,最好不要讓它們處於待機狀態,因為此時可產生較微弱的電磁場,長時間也會產生輻射積累。
5、對各種電器的使用,應保持一定的安全距離。如眼睛離電視熒光屏的距離,一般為熒光屏寬度的5倍左右; 微波爐在開啟之後要離開至少1米遠,孕婦和小孩應盡量遠離微波爐; 手機在使用時,應盡量使頭部與手機天線的距離遠一些,最好使用分離耳機和話筒接聽電話。
6、消費者如果長期涉身於超劑量電磁輻射環境中,應注意採取以下自我保護措施:
① 居住、工作在高壓線、變電站、電台、電視台、雷達站、電磁波發射塔附近的人員,佩帶心臟起搏器的患者,經常使用電子儀器、醫療設備、辦公自動化設備的人員,以及生活在現代自動化環境中的人群,特別是抵抗力較弱的孕婦、兒童、老人及病患者,有條件的應配備針對電磁輻射的屏蔽服,將電磁輻射最大限度
地阻擋在身體之外。
② 電視、電腦等有顯示屏的電器設備可安裝電磁輻射保護屏,使用者還可佩戴防輻射眼鏡,以防止屏幕輻射出的電磁波直接作用於人體。
③ 手機接觸瞬間釋放的電磁輻射最大,為此最好在手機響過一兩秒後或電話兩次鈴聲間歇中再接聽電話。
④ 電視、電腦等電器的屏幕產生的輻射會導致人體皮膚乾燥缺水,加速皮膚老化,嚴重的會導致皮膚癌,所以,在使用完上述電器後及時洗臉。
⑤ 多食用一些胡蘿卜、豆芽、西紅柿、油菜、海帶、捲心菜、瘦肉、動物肝臟等富含維生素A、C和蛋白質的食物,以利於調節人體電磁場紊亂狀態,加強肌體抵抗電磁輻射的能力。