Магнитные поля

       ПЕРЕШКОДИ ВІД МАГНІТНИХ ПОЛІВ 

     Розглянемо взаємодію двох дротів в магнітному полі (мал. 3.1).

     Згідно  із законом повного струму

     де  Н-напруженість магнітного поля навколо провода, по якому протікає струм.

     На  відстані г від струмопровідного дроту напруженість магнітного поля рівна

       = //(2яг).

     Магнітне  поле, що утворюється навколо струмопровідного дроту р, охоплює дріт q. Поверхня нульового потенціалу не впливає  на магнітне поле, якщо матеріал, з якого він виконаний, не має феритової основи.

     Механізм  магнітного зв'язку описується законом Фарадея : 

     

     

     

     

 
      
 
      

     Мал. 3.1. Магнітний зв'язок між ИП (провід р) і РП (провода q, </).

     

     J 14 *

     --        " '"■   J-/   '     --■  --

 
 

     Мал. 3.2. Максимальна *Г  мини-мальная магнітний  зв'язок:

     

     {Eds =  -

     I __ yxi\ 2 - дріт з максимальним зв'язком; 3 - дріт з мінімальним зв'язком. 
 
 

     

     

 
      

     де  Е - напруженість електричного поля, В/м; U - напруга, що індукується в ланцюзі, утвореному про-водами q, - q'\

     (3.1)

     - магнітний потік, що перетинає  петлю площею Л, утворену дротами  q - qf\ В = \хН\ \х - магнит-ная проникність середовища.

     На  мал. 3.2 показано два випадки магнітного зв'язку. Дріт 2 і "земля" утворюють  ланцюг, площа петлі ко-торой A=hzly причому магнітне поле дроту 1 перпен-дикулярно  площини цієї петлі. Дріт 3 і "земля" утворюють ланцюг з площею петлі Л=/1з/, причому магнит-ное поле дроту 1 перетинає площину цієї петлі під косим кутом. Далі розглянемо   лише   перший   випадок, оскільки він відповідає сильнішою магнітною свя-зи і аналогічний випадку, показаному вЬ мал. ЗД. Після підстановок в (3.1) отримуємо*) 

     

     Згодна (3.2) напруга U, наведена в рассмат-риваемой ланцюзі, збільшується при збільшенні   магнітної проникності середовища \iy довжини ланцюга /, сили струму / і  його частоти. Ця напруга помітна  уменьшается-при рознесень дротів на відстань d^hz. Проте, як показано на мал. 3.3, зростання напруги Ui7 що наводиться на

     *^{*} Вважаючи для спільності h2~h. (Прим. ред.)} 
 
 
 
 

       
 

     навантаженню Z?2, обмежується самоіндукцією: 
 
 

       
 

     Підставляючи  рівняння (3.2) без урахування фази в  урав-нения (3.3) і (3.4), отримуємо вираження для повного перехідного опору. 

       

                 Перехідне загасання Z^ або коефіцієнт зв'язку це-пей ИП і РП UifUs можна виразити як 
 

     

     де Us - напруга джерела енергії (перешкод) ланцюга 1. На низьких  і високих  частотах  при L2=Li і Zsi" "Zh~Zs2"Zz2" 2 рівняння (3.5) набуває следую-щий вигляду: 

       

     Для зменшення магнітного зв'язку між  ланцюгами, по-казанными на мал. 3.3, згідно з рівняннями (3.2), (3.3), (3.5) треба зробити  наступне:

     1. Зменшити напругу джерела Us або  струм / в ланцюзі 1. Якщо внутрішній опір джерела на-пряжения Us мало, слід збільшити повне сопротив-ление ланцюгу, проте, як буде показано далі, це приве-дет до збільшення електричного зв'язку.

     2. Зменшити площу петлі, освіченим  ланцюгом (мал. 3.3, 3.4, а), зменшуючи довжину I або відстань меж-ду дротами h або і те, і інше. Оскільки зазвичай кабель прокладають по найкоротшому шляху, / не можна су-щественно зменшити. Укладання ізольованого дроту безпосередньо на    "землю"  (мал.   3.4, б) істотно

       
 

     Мал. ЗА, Зменшення площі петлі A=lh магнітно-пов'язаних це-пей і різні варіанти заземлення.

     _

     зменшує розмір h. Ще помітніше зменшити магнит-ную  зв'язок можна, використовуючи як "землю" отдель-ный дріт (мал. 3.4, в), оскільки в цьому випадку немає свя-зи із-за загальних ділянок ланцюгів. Хорошим варіантом яв-ляется скручування прямого і зворотного дротів, оскільки в цьому випадку напруга, що наводиться на сусідніх уча-стках скрученої лінії, приблизно однакова по вели-чине, але протилежно по знаку (мал. 3.4, г).

     3. Максимально рознести ланцюги 1 і 2, так, щоб для рівняння (3.5) виконувалися умови: 

           

     4.  Передавати сигнали постійним  струмом або на НЧ.

     5.  Використовувати дріт в магнітному  екрані з высо-кой проникністю.

     6.  Включити в ланцюг 2  (РП) диференціальний уси-литель.                                                                        г

     У разі використання окремого земляного (нуле-вого) дроту (мал. 3.4, е, г) виникає  проблема оптимального заземлення детально це питання розглянуте в гл.- 4). Тут  доречно лише відмітити, що заземлення ланцюга не завжди обов'язково. До^ромі того, якщо заземля-ются обидва кінці нульового дроту, то це еквівалентно появі другого дроту, опір якої менший, ніж у "" земляного" дроту. Останній, таким чином, стає неефективним.

     Як  відзначалося, скручування дротів є хо-рошим способом зменшення магнітного   зв'язку. Проте 
 
 
 
 
 
 

       
 

     Мал. 3.5. Зменшення магнит-ной  зв'язку за допомогою  скручування дротів.

     Мал.  3.6.  Еквівалентне  пред-ставление коаксіальної  лінії.

     ще  кращу магнітну розв'язку забезпечує коакси-альный кабель, оскільки його оболонка - эквивалент-ный "зворотний" дріт - розташована концентрично відносно внутрішнього дроту і тим самим эффек-тивный розмір h нехтує малий.

     Міра  розв'язки визначається градієнтом магнитно-го поля і характеристиками кабелю. Якщо поле з високим градієнтом створюється провідником, який розташований паралельно парі АВ-РП (мал. 3.5), то рівномірно скручена пара забезпечує вищу магнітну розв'язку (за рахунок рівних за величиною і противополож-ных по знаку наведень в кожній петлі), ніж коаксиаль-ный кабель. Якщо коаксіальний кабель замінити двома дротами, паралельними центральному дроту і рівновіддаленими від нього (мал. 3.6), а також параллель-

     ными  дроту - І можна виразити як д#=       7 те   залишкове   магнітне  поле

       

     і оскільки радіус перерізу коаксіального  кабелю AR відносно малий, а магнітне поле практично не изме-няется по його довжині, то э. д. з, що наводиться в коаксіальному  кабелі, практично близька до нуля. 
 

       
 

                 Мал. 3.7. Зменшення магнітного потоку за допомогою екрану: а - ланцюги без екрану; б - з екраном з магннтопроницаемого матеріалу (плот-ность магнітного потоку усередині екрану зменшена).

     г

     Типові  екрани з лудженого мідного обплетення, исполь-зуемые для екранування від  електричних полів високої частоти, не екранують магнітні поля із-за низької магнітної проникності .(як у повітря). Екрани з феритових матеріалів зменшують магнит-ное поле, що заважає, оскільки мають низький опір для магнітного потоку (мал. 3.7).

     Міра  магнітного екранування, що забезпечується циліндричним екраном, виконаним з магнитопро-ницаемош матеріалу і поміщеним навколо однієї пари або декількох пар дротів, можна виразити як

       

     де  * на;

       відносна Проникність магнітного экра- товщина екрану; г--зовнішній .радіус екрану".

     Це  наближене вираження справедливе  тільки при fir^l Для НЧ (наприклад, нижче 10 кГц) і для попе-речных полів. Згідно (3.6) ефективність экранирова-ния підвищується із збільшенням товщини екрану. Так, наприклад, сталева труба (|яг=1000) з  внутрішнім диа-метром 25,4 мм і завтовшки стінки 1,6 мм забезпечує екранування приблизно 30 дБ, а сталева стрічка толщи-ной 51 мкм, навита на джгут діаметром 25,4 мм внахлест з перекриттям 50%, забезпечує екранування лише 3 дБ.

     Крім  того, ефективність екранування залежить від правильності заземлення екрану. На відміну від электри-ческого екранування (див. гл. 2) магнітне не вимагає заземлення екрану, якщо ланцюг, що екранується, не є високоомним.

     3.3.   ПЕРЕШКОДИ ІЗ-ЗА ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ

     Розглянемо  зв'язок двох дротів, розташованих поруч (мал. 3.8). Окрім прямого зв'язку місткості Сс меж-ду ними існує непрямий зв'язок місткості через "землю" (З\ і Сг). Використовуючи еквівалентні схеми на мал. 3.9, запишемо перехідне загасання

       

     Місткість між дротами 

       
 

                 де е - діелектрична проникність (е=8,85 пФ/м для повітря); d - відстань між дротами; D - діаметр дроту.

     Якщо  нерівність d/D^>\ не виконується,  то замість In (2djD) в (3.8) треба підставити arcch (d/D).

     Підставляючи  в (3.7) значення величин, отримуємо 

       

       

     Мал. З.8. Зв'язок місткості між дротами: з - вигляд збоку; б - вид з торця. 

       

     Мал. 3.9. Еквівалентні схеми  ланцюга, зображеного  на мал. 3.8: в, - загальна; б -на НЧ; в- на ВЧ; для  б і в Z82 = Zi2~Z,  I/oCc > Zi,.

     З приведених рівнянь видно, що для  уменьше-ния електричних перешкод потрібне:

     1. Зменшувати напругу ИП Us в ланцюзі  1 і сопротив-ление ланцюги 2 (зменшення  опору ланцюгу 1 приво-дит до  збільшення перешкод із-за магнітного  зв'язку). '" . 2. Ізолювати ланцюги  1 і 2, щоб зменшити місткість  Сс і забезпечити співвідношення d^D.

     3. Зменшувати місткість Сс, зменшуючи  довжину лінії (довгу лінію,  крім того, важче екранувати на  ВЧ).

     4. Зменшувати місткість Сс за  допомогою екранування, наприклад  циліндра Фарадея (рис, ЗЛО). На  мал. ЗЛО показано два дроти  над поверхнею нульового потен-циала. Дріт 2 поміщений в екран - циліндр Фарадея, причому цей екран заземлений. Таким чином, місткість С'с>Сс утворюється між дротом 1 і, заземленим -экраном дроти 2.

       
 

     Мал. 3.10. Еквівалентна "схема  ланцюга з одним  екранованим про-водом:

     З, - місткість між дротом 2 і екраном; А-точка з'єднання з екраном; Zt - ииэкоомкое опір заземляючої перемички. 

                 видно з еквівалентної  схеми для двох экрани-рованных дротів (мал. 3.11), екран на дроті 2 до-полнительно  зменшує місткість зв'язку (у Z2bfXciX" c разів). Спосіб заземлення визначається необхідністю, по-перше, уникати появи супутнього магнітного зв'язку на НЧ і; по-друге, скорочувати відстань між точками заземлення до величини, меншої самої корот-кой довжини хвилі робочого діапазону.

     Розглянемо способи екранування скрученої пари. У першому випадку (мал. 3.12, а), коли ланцюг заземляється тільки на одному кінці (чи не заземляється взагалі), заземлення "екрану навіть на обох кінцях не викличе істотної зміни магнітного зв'язку, якщо 1<ЦЯ. У другому  випадку,   коли ланцюг   заземлений на передавальному

       

                 Мал. 3.1 L Еквівалентна схема  цепн з двома екранованими про-водами:

     А - точка з'єднання  з екраном; Zb - кизксюмкые опори   заземляю-щих  перемичок.

     кінці, а екран на приймальному, електричне экранирова-ние забезпечується при /<ЦЯ. Оскільки в цій схемі зворотний дріт сполучений з точкою заземлення екрану, то частина струму замикається через "землю" разом із струмами інших ланцюгів, через що порушується магнітна развязка,. Слід зазначити, що довжина дроту, що заземляє екран, може позначитися на ВЧ. Якщо екран, заземлений