Экспериментальная установка для определения эффективности экранирующих свойств различныхматериалов в радиочастотном диапазоне

УДК 621.396

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНИРУЮЩИХ СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РАДИОЧАСТОТНОМ

ДИАПАЗОНЕ

Ю.Г. Пастернак, М.Н. Фёдоров, С.М. Фёдоров

В статье описаны конструкция экспериментальной установки и методика для проведения исследований экранирующих свойств экранов, изготовленных из различных материалов в частотном диапазоне от 50 Гц до 8 МГц. Приведены результаты экспериментальных исследований

Ключевые слова: электромагнитное поле, эффективность экранирования, установка

Широкое применение волновых электромагнитных процессов в повседневной жизни привело к тому, что к естественным электромагнитным полям (ЭМП), которые сопутствовали зарождению и развитию жизни на Земле, добавились искусственные, преднамеренно создаваемые самыми разными излучающими устройствами, в первую очередь, антеннами радиопередающих устройств систем радиосвязи, телевидения и радиовещания.

Общеизвестно, что электромагнитные волны являются биологически активным фактором. Наряду с уже упоминавшимся использованием электромагнитных волн в целях исцеления от недугов, к сожалению, обнаружено и неблагоприятное воздействие радиочастотных излучений на окружающую среду и, в том числе, на человека.

Воздействие ЭМП на живые организмы сложное и недостаточно изученное явление. Степень воздействия зависит от величины поглощения энергии тканями организма, частоты ЭМП (с уменьшением длины волны биологическая активность возрастает) и размеров биообъекта. При постоянном воздействии поля высокой интенсивности человек чувствует раздражительность, головные боли, ослабление памяти и т.д. Адаптация к электромагнитному воздействию не возникает.

Исследование экранирования полей проводили в зоне индукции, так как длина волны изменялась от 6-106 до 300м, что соответствует условию ¡<Л/2ж [1]. В зоне индукции на человека может воздействовать как магнитная, так и электрическая составляющие поля. Поэтому

Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46

Фёдоров Михаил Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук,

доцент, тел. (473) 230-41-05

Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, аспирант,

тел. (473) 223-38-52

важно знать характеристику цепей, генерирующих электромагнитные поля. К источникам относятся АФУ, антенны теле- и радиостанций, системы сотовой и пейджинговой связи [3]. Как правило, сильные электромагнитные поля создаются цепями с большим током и малым переходом напряжений. К таким цепям относятся закалочные генераторы от промышленной частоты и до десятков килогерц, величина тока которых достигает 103 А. Интенсивные электрические поля создаются цепями с высоким напряжением и малым током. К таким устройствам относятся установки высокочастотного нагрева, работающие на частотах от сотен килогерц до 8 МГц с токами в индукторе порядка нескольких ампер.

Нормирование ЭМП радиочастотного диапазона проводится по ГОСТ 12.1.006-84 и Сан-ПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. ЭМП техногенного происхождения нормируются в зависимости от диапазона частот. В основу гигиенического нормирования положен принцип действующей дозы, учитывающей энергетическую нагрузку, для более высоких частот нормирование осуществляется по плотности потока энергии.

Мерой эффективности действия экрана на различных частотах является коэффициент эффективности экранирования, дБ

Е Н

7(Е) = 201^-4 7 (Н) = 201*-Ц (1) Е2 Н 2

где Е1 и Е2 - напряжённости электрического поля в данной точке при отсутствии и наличии экрана, соответственно;

Н1 и Н 2 - напряжённости магнитного поля в данной точке при отсутствии и наличии экрана соответственно [2].

Экспериментальные исследования по определению эффективности экранирующих свойств различных материалов в радиочастотном диапазоне проводились на установке, схема и общий вид которой приведены на рис. 1. и 2.

Рис. 1. Схема установки для измерения экранирующих свойств различных материалов в радиочастотном диапазоне.

Рис. 2. Экспериментальная установка исследования эффективности экранирующих свойств различных материалов в радиочастотном диапазоне

В качестве источника электромагнитного поля использовали катушку индуктивности ^ с числом витков равным 500, на которую подавали сигнал от генератора ГЗ-112 через усилитель. Напряжение на индуктивности регулировали от 5 до 25 В.

Приемником ¿2 определяли электромагнитное действие, которое регистрировали с помощью милливольтметра В3-53. Для увеличения чувствительности ¿2 в середину индуктивности помещали ферритовый сердечник с Ц = 500 . Исследуемые экраны, имели форму цилиндров, диаметром 0,04 м. (рис. 3). Для стекания статического заряда экран заземляли. Индуктивность ¿2 могла перемешаться в горизонтальном направлении относительно ¿1 на расстояние от 0,02 до 0,25 м.

Мерой экранирования на различных частотах является степень ослабления электромагнитного поля, которая выражается через коэффициент экранирования:

к

А2 1 2 где Е1 и Е2 - напряжённости электрического поля в данной точке при отсутствии и наличии экрана, соответственно;

Н1 и Н2 - напряжённости магнитного поля в данной точке при отсутствии и наличии экрана соответственно [2].

Вычисление эффективности экранирования проводили по формуле 1.

Рис. 3. Образцы экранов для проведения экспериментальных исследований

Определение эффективности экранирования проводили по следующей методике. На катушку ¿1, которая являлась источником поля, от генератора через усилитель подавался переменный сигнал. На индуктивности , с помощью вольтметра регистрировали наведенный уровень сигнала, ( и1 , В). Затем определяли уровень наведенного сигнала при экранировании индуктивности ¿2 , ( и0 , В). Измерения

проводили на различных расстояниях между источником и приемником. На рис. 4 приведены частотные зависимости эффективности экранирования экранов изготовленных из различных материалов.

Ход кривой (рис. 4) свидетельствует о наличии трех режимов работы экранов: низкочастотный режим, соответствующий электростатическому или магнитостатическому экранированию; высокочастотный режим, соответствующий электромагнитному экранированию; сверхвысокочастотный режим, соответствующий волновому режиму экранирования.

Электростатический или магнитостатиче-

ский режимы экранирования основаны на замыкании электростатических или магнитных силовых линий на экран. Металлический экран, имеющий заземление, действует в электростатическом режиме, а экран из ферромагнетика -в магнитостатическом [4].

Э = 20 ig

—

J if

У 1

2 4 5 5

Рис. 4. Эффективность экранирования экранами, изготовленными из следующих материалов: 1 - сталь; 2 -медь; 3 - электропроводящая ткань ТЭН-08

Электростатический режим экранирования эффективен до частоты 10 Гц, затем с ростом частоты происходит вытеснение магнитного поля из толщины экрана, возрастают вихревые токи и эффект экранирования обусловлен потерями энергии поля за счет ее поглощения. Электростатический режим экранирования эффективен при частотах, близких к нулю герц.

С увеличением частоты поля, экранирующие характеристики материала имеют минимум на частотах около 104 Гц. Далее, с ростом частоты электростатическое экранирование переходит в электромагнитное, которое также обусловлено поглощением энергии на вихревые токи в металле. Электромагнитный эффект экранирования тканей действует от 104 Гц до 106 Гц.

Экранирующие свойства проявляются главным образом в отражении электромагнитной волны на частотах до 103 Гц и поглощением энергии на частотах до 106 Гц, за счет потери на вихревые токи.

Литература

1. Справочник по гигиене труда / Под ред. Б.Д. Карпова, В.Е. Ковшило.-2-е изд., доп. и перераб. - Л.: Медицина, 1979. - 448 с.

2. Средства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование: Справочник/ С.В. Белов, А.Ф. Козьяков, О.Ф. Партолин и др.; Под ред. С.В. Белова. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.

3. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1989. -453 с.

4. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: 1975. - 109 с.

Воронежский государственный технический университет

EXPERIMENTAL APPARATUS FOR DETERMINING THE EFFECTIVENESS OF PROTECTIVE PROPERTIES OF VARIOUS MATERIALS FOR RADIO FREQUANCYS

Yu.G. Pasternak, M.N. Fedorov, S.M. Fedorov

The article describes the design of experimental apparatus and methodology for determination of shielding properties of shields made of different materials in the frequency range from 50 Hz to 8 MHz. Experimental results. Experimental results are presented

Key words: electromagnetic field, effectiveness of shielding, apparatus