¿Cómo penetra el campo magnético en los materiales de apantallamiento? Análisis y comparación

¿Por qué el blindaje de campos magnéticos es un desafío?

El blindaje de campos magnéticos es uno de los problemas más complejos en la ingeniería electromagnética. A diferencia del campo eléctrico, que se puede bloquear con relativa facilidad mediante capas conductoras o aislantes, el campo magnético tiene la capacidad de penetrar muchos materiales, lo que hace que su atenuación efectiva sea mucho más difícil.

Las principales dificultades provienen del hecho de que un campo magnético no interactúa directamente con las cargas eléctricas, sino con las corrientes circulantes y los momentos magnéticos. Por lo tanto, los materiales utilizados para el blindaje no solo deben ser conductores, sino también reaccionar de manera adecuada a los cambios del campo, lo que en la práctica significa que es necesario considerar una multitud de parámetros físicos y estructurales.

Las pantallas metálicas típicas, fabricadas con láminas o chapas, atenúan perfectamente el campo magnético gracias a su alta conductividad y al efecto piel (skin effect), que limita la penetración del campo a una capa de material muy fina. Lamentablemente, estas soluciones son rígidas e inflexibles, lo que es una desventaja significativa en muchas aplicaciones modernas, como la electrónica portátil o los circuitos flexibles.

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Fig. 1. Pantalla metálica PCB

Por lo tanto, los materiales de blindaje con fibras conductoras están ganando importancia, ya que ofrecen flexibilidad y facilidad de adaptación a diferentes formas. Sin embargo, su funcionamiento es mucho más complejo y requiere una comprensión detallada de los mecanismos por los cuales el campo magnético penetra su estructura.

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Fig. 2. Tejido conductor flexible

Materiales de blindaje con fibras conductoras - una alternativa a los metales

Las pantallas magnéticas hechas de metales como el cobre o el aluminio, aunque muy efectivas, tienen limitaciones significativas. Su rigidez y falta de flexibilidad hacen que no siempre sean fáciles de aplicar en construcciones electrónicas modernas, a menudo complejas, o en dispositivos que requieren materiales de protección flexibles.

Para abordar estos desafíos, se han desarrollado materiales de blindaje basados en fibras conductoras. Generalmente se trata de fibras metalizadas o recubiertas con una capa de metal, formadas en mallas o tejidos que crean pantallas ligeras, flexibles y fáciles de adaptar. Estas soluciones se utilizan cada vez más en la electrónica portátil, la industria automotriz y las telecomunicaciones, donde se necesitan propiedades de blindaje y facilidad de uso.

Las fibras conductoras forman una estructura de malla, compuesta por celdas cortas y cerradas, que son responsables de la atenuación del campo magnético. Sin embargo, su funcionamiento es mucho más complejo que el de las pantallas metálicas homogéneas. La eficiencia está influenciada no solo por la conductividad del metal en sí, sino también por su disposición espacial, el tamaño de las aberturas entre las fibras y los parámetros eléctricos de la estructura misma.

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Fig. 3. Carpa EMC

Además, los parámetros internos como la resistencia (R'), la inductancia (L') y la capacitancia (C') de esta estructura fibrosa son cruciales para la forma en que el campo magnético se atenúa. La complejidad de estos mecanismos hace que la eficiencia del blindaje no sea constante, sino que dependa fuertemente de la frecuencia del campo, así como de la geometría y las propiedades del material en sí. Fig. 4

Fig. 4. Detalle del material de blindaje

Parámetros que influyen en la eficiencia del blindaje magnético

La eficiencia de los materiales que blindan el campo magnético depende de una multitud de factores que se pueden dividir en dos grupos principales: las propiedades internas del material y la estructura física de las fibras conductoras. La comprensión de estos parámetros es crucial para la selección o el diseño consciente de una pantalla magnética efectiva.

Propiedades internas del material: R', L', C'

En la literatura técnica y la práctica de la ingeniería, el blindaje se describe, entre otros, por tres parámetros básicos:

• R' (resistencia lineal) – determina la resistencia eléctrica de los conductores dentro del material, lo que influye en la atenuación de las corrientes de Foucault generadas por el campo magnético variable.
• L' (inductancia lineal) – es responsable de la capacidad del material para almacenar energía en el campo magnético y regula la propagación de las ondas electromagnéticas.
• C' (capacitancia lineal) – está relacionada con las propiedades dieléctricas y la disposición de las fibras conductoras entre sí, lo que influye en el comportamiento del campo eléctrico.

Estos tres parámetros interactúan, determinando cómo se atenúa el campo magnético y cómo penetra a través de la estructura del material de blindaje. Cambian con la frecuencia de la señal, lo que complica aún más el análisis y requiere mediciones especializadas.

Importancia de la estructura de las fibras y la malla conductora

Además de los parámetros eléctricos, la estructura física del material tiene una enorme influencia en la eficiencia del blindaje. En el caso de los materiales de blindaje fibrosos, los elementos clave son:

• El tamaño y la forma de las celdas de la malla – cuanto más pequeñas son las aberturas, más efectivo es el bloqueo del campo magnético, especialmente en las bandas de frecuencia más altas.
• La disposición y la densidad de las fibras – influyen en la uniformidad de la cobertura y la continuidad de las trayectorias de conducción para las corrientes de Foucault.
• La conductividad de las fibras – los materiales con mayor conductividad (por ejemplo, cobre, plata) atenúan mejor el campo magnético, pero pueden ser más caros o menos flexibles.

La estructura del material decide si el campo magnético penetrará principalmente a través de las fibras metálicas o a través de las aberturas de aire entre ellas. Esta relación dinámica entre el campo magnético y la estructura física explica la complejidad de la eficiencia del blindaje en función de las condiciones de operación.

Un blindaje efectivo no es solo una cuestión de material, sino también de su estructura y propiedades eléctricas. Para predecir la eficiencia de una pantalla, se necesita un enfoque holístico que tenga en cuenta todos estos parámetros y sus interdependencias.

¿Cómo penetra el campo magnético la pantalla? Mecanismos de acción

Comprender cómo un campo magnético penetra un material de blindaje es crucial para optimizar la protección electromagnética. Este proceso no es simple, ya que el comportamiento del campo depende de muchos factores, incluida la frecuencia de la señal y la estructura del material en sí.

Principio de acoplamiento de campo magnético (mostrado sin efecto piel)

Descripción de la penetración del campo magnético a través de la pantalla

El campo magnético interactúa con la pantalla principalmente por inducción: un campo magnético variable genera en el material conductor corrientes de Foucault, que a su vez crean un campo magnético que se opone al campo externo. Esta interacción inductiva se mide mediante la inductancia mutua L12, que describe cuán eficazmente el material "deja pasar" el campo magnético.

Se aplica una corriente i1 que se propaga linealmente en la parte inferior del material de blindaje (ver la figura de arriba). El flujo magnético Φ1, generado por la corriente (Φ1 = L12 * i1), penetra en el material de blindaje dependiendo de la frecuencia. En la superficie superior del material de blindaje, se induce una tensión u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

La inductancia L12 acopla la corriente i1 con la tensión u2. La inductancia L12 depende de la frecuencia debido al efecto piel. Su característica describe la influencia del efecto piel y, por lo tanto, las propiedades magnéticas del material de blindaje. La tensión u2 detrás de la pantalla puede causar otras interferencias, como corrientes, campos magnéticos y eléctricos.

Para medir la inductancia L12, se utiliza una cámara de medición especial. (La figura de abajo) presenta la configuración de esta cámara. El material de blindaje se coloca en una caja metálica cerrada de la cámara de medición. En la parte inferior del material de blindaje hay una línea de tira de 50 Ω (línea de tira 1). La corriente i1 que fluye a través de la línea de tira utiliza el material de blindaje como camino de retorno. El campo magnético generado por la corriente i1 penetra en el material de blindaje de acuerdo con su eficiencia de blindaje. En la parte superior del material de blindaje hay una segunda línea de tira de 50 Ω (línea de tira 2). La tensión u2 es inducida en la línea de tira 2 por el flujo magnético Φ1.

Configuración de medición con líneas de tira y cámara de medición

La inductancia L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) describe cuánto flujo magnético Φ1 puede penetrar a través del material de blindaje e inducir una tensión u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Si la cámara de medición no contiene material de blindaje (ver la figura de arriba), se mide la inductancia de referencia L12 para la configuración de medición (ver abajo). La inductancia L12 permanece constante en un amplio rango de frecuencias. El final de la característica de frecuencia lineal de la cámara de medición ocurre a 1 GHz.

Característica de frecuencia y acoplamiento inductivo de la cámara de medición sin material de blindaje (i1 = const.)

Durante las mediciones (por ejemplo, en la configuración con striplines, como se muestra en la figura de arriba), la tensión inducida en la segunda línea (u2) es un indicador del grado de penetración del campo. El valor de la inductancia L12 se calcula usando la fórmula:

L12= - U2/Wi1

donde U2 es la tensión inducida, W es la pulsación y i1 es la corriente en la primera línea.

Mecanismos de blindaje del campo magnético

La tensión u2, inducida por el campo magnético (ver la figura de abajo), es captada por la línea de tira 2 como u2'. Esta tensión es ligeramente menor que la tensión u2 en la superficie del material de blindaje, ya que una parte del campo magnético aún penetra en el espacio entre la línea de tira y el material de blindaje. Este efecto se ignora a partir de ahora, y se considera que u2' es idéntico a u2.

Medición de la tensión u2 con una línea de tira

La tensión u2, inducida en la línea de tira, depende de la eficiencia del blindaje magnético del material de blindaje. Su inductancia L12 correspondiente describe la penetración magnética del material de blindaje.

La figura 5 presenta la tensión inducida u2 y la inductancia L12 para el material de blindaje S10.

Penetración inductiva del material de blindaje S10

Las fibras conductoras en el no tejido metalizado forman celdas cerradas. El campo magnético es repelido de las celdas metálicas a medida que aumenta la frecuencia (de 500 kHz a 200 MHz).

En la banda de frecuencias más baja (por debajo de 1 MHz), el material de blindaje no presenta un efecto de atenuación (ver Figura 5). La tensión inducida u2 y la inductancia L12 son iguales a los valores de referencia medidos en la cámara vacía.

Penetración inductiva del material de blindaje en la banda de frecuencias más baja sin efecto piel.

Penetración inductiva del material de blindaje con efecto piel; el campo magnético penetra a través de las aberturas llenas de aire en el material

Desde aproximadamente 0,5 MHz, la inductancia de la cámara vacía se mantiene constante en -169,8 dBH (3,23 nH). Por debajo de 400 kHz, la inductancia parece aumentar, lo que probablemente sea el resultado del aumento de la tensión u2 causado por la influencia del campo eléctrico de la línea de tira 2.

Primer principio de acción inductiva

A partir de 0,5 MHz, el efecto piel comienza a ser notable en las partes metálicas del material de blindaje (ver Figura 7). La tensión u2 y la inductancia L12 disminuyen progresivamente (ver Figura 5). La tensión inducida alcanza su valor más bajo a 200 MHz. En este punto, aparece un nuevo principio de acción, que se superpone al desplazamiento del campo en el metal de las fibras (ver Figura 8).

Segundo principio de acción inductiva

A partir de 200 MHz, la tensión u2 aumenta linealmente con una pendiente de 20 dB/dec, y la inductancia pasa a una curva constante: -235,9 dBH (0,16 pH) (ver Figura 5).

El componente del campo magnético F2 penetra a través de las aberturas llenas de aire en el material de blindaje. Para frecuencias más bajas, este componente del campo magnético era más débil que el que penetraba a través del metal del material de blindaje. Con el aumento continuo de la frecuencia, todo el campo es repelido del metal del material de blindaje y solo pasa a través de las aberturas llenas de aire (ver Figura 8). La trayectoria de propagación de las líneas de campo magnético deja de cambiar con el aumento de la frecuencia, lo que hace que la inductancia sea constante. El valor de la inductancia L12 se puede extrapolar para frecuencias aún más altas.

La inductancia mutua L12 del material de blindaje es un parámetro del material que se puede definir como una inductancia lineal específica L12' [pH/cm].

Comparación de los materiales de blindaje

La penetración inductiva de la pantalla se midió para seis materiales de blindaje y se presenta en la Figura 9.

Propiedades de blindaje magnético de seis materiales de blindaje con inductancia mutua

Por encima de aproximadamente 2 MHz, se pueden observar buenas propiedades de blindaje para los tres materiales (S10, S2 y 02). ¡Para los otros tres materiales (01, 03 y 04), el efecto de blindaje estuvo ausente o fue débil hasta 1,5 GHz!

La eficiencia de blindaje de los materiales difiere considerablemente, de ineficaz a eficaz. Las bandas de frecuencia en las que aparecen los diferentes principios de acción del blindaje se desplazan ligeramente según el material.

• Material de blindaje 04: No presenta un efecto de blindaje magnético, se comporta como el aire (cámara de medición vacía).
• Material de blindaje 03: Alcanza una atenuación del campo magnético de solo 3 dB a 1 GHz.
• Material de blindaje 01: Alcanza una atenuación de 12 dB a 1 GHz.
• Materiales de blindaje 02, S2 y S10: Son efectivos y presentan las bandas de frecuencia de los dos principios de acción. En la primera banda (hasta 200 MHz), el material actúa repeliendo el campo a través de las aberturas en las celdas. En la segunda banda (>200 MHz), el efecto está determinado por el tamaño de las aberturas metálicas en las celdas y su resistencia óhmica (atenuación de 40...65 dB). La estructura del material de blindaje determina el efecto en ambas bandas.

Inductancia mutua L12

La inductancia mutua L12 del material de blindaje es un parámetro que describe la penetración del campo magnético a través del material. Se puede normalizar con respecto a la corriente en una línea de 10 mm de longitud. La atenuación del campo magnético se expresa como la diferencia en dB entre la medición con el material de blindaje y la medición de referencia (sin material): Atenuación = L12-material [dBH] - L12-vacío [dBH]

Conclusiones para el diseño

La calidad del blindaje magnético depende del tamaño de las aberturas en las celdas, su sección transversal y la conductividad. Los resultados de las mediciones de la Figura 9 muestran claramente la influencia de los materiales de blindaje en el campo magnético, lo que es una ventaja para su aplicación y desarrollo. Al diseñar materiales de blindaje, es importante influir constructivamente en los dos principios de acción inductiva.

Dos mecanismos principales de blindaje magnético

Comprender la eficiencia del blindaje magnético requiere conocer los mecanismos básicos que determinan cómo un campo magnético es atenuado o penetra a través de un material dado. En los materiales de blindaje examinados, se distinguen dos efectos clave:

I. Efecto piel y desplazamiento del campo en el metal

El primer mecanismo es el efecto piel. Se basa en el hecho de que una corriente alterna (CA) fluye principalmente en una capa superficial delgada del conductor, llamada "capa de piel". A medida que la frecuencia de la corriente aumenta, esta capa se vuelve cada vez más delgada, lo que lleva a un aumento de la resistencia efectiva y a una atenuación del campo magnético dentro del material. En la práctica, esto significa que los elementos metálicos de la malla o las fibras conductoras en el material de blindaje "desplazan" el campo magnético hacia el exterior, lo que limita su penetración hacia el interior. Este efecto es particularmente fuerte en la banda de frecuencias de varios cientos de megahercios en adelante, cuando el grosor de la capa de piel se vuelve muy pequeño.

II. Penetración a través de las aberturas de aire en el material

El segundo mecanismo está relacionado con la presencia de aberturas, espacios vacíos o "agujeros" en la estructura del material. En el caso de materiales compuestos por mallas conductoras o fibras dispuestas de una manera determinada, el campo magnético puede penetrar a través de estos fragmentos no protegidos.

La acción de este mecanismo es dominante, especialmente a frecuencias más bajas, hasta aproximadamente 200 MHz, donde el campo penetra principalmente a través de los espacios de aire entre los elementos conductores.

La eficiencia del blindaje aquí depende fuertemente del tamaño y la forma de estas aberturas, así como de su disposición.

Papel de la estructura del material en ambos mecanismos

La combinación de estos dos fenómenos determina la eficiencia final del material de blindaje. Las mallas finas y las fibras de alta conductividad dan como resultado una atenuación más fuerte del campo magnético, especialmente en las bandas de frecuencia más altas donde el efecto piel es más efectivo.

Por otro lado, las aberturas grandes e irregulares pueden reducir significativamente la eficiencia del blindaje, permitiendo que el campo penetre incluso a altas frecuencias.

¿Cómo elegir el material de blindaje adecuado?

La selección del material para un blindaje efectivo del campo magnético es un proceso que requiere tener en cuenta varios factores clave que influyen en la efectividad de la protección contra interferencias electromagnéticas. El conocimiento de cómo la estructura del material y sus propiedades eléctricas se traducen en el comportamiento de la pantalla en diversas condiciones es fundamental para garantizar el funcionamiento óptimo de los dispositivos electrónicos.

Dependencia de la eficiencia de la estructura y la frecuencia

La cuestión principal es la elección del material en función de la banda de frecuencia en la que debe operar la pantalla. A baja frecuencia (de unas pocas decenas a varios cientos de MHz), la minimización de las aberturas de aire en el material es lo más importante. Incluso las interrupciones o fisuras menores en la malla conductora permiten que el campo magnético penetre, lo que reduce significativamente la eficiencia del blindaje. En este rango, los materiales con una estructura fibrosa densa, que forman una superficie conductora casi continua, son los más adecuados.

En las bandas de frecuencia más altas (cientos de MHz a GHz), el efecto piel juega un papel clave. Aquí, a su vez, es importante la alta conductividad de las fibras y su disposición: las fibras conductoras finas y bien dispuestas crean una capa en la que la corriente alterna puede fluir sin grandes pérdidas. Los materiales con un gran grosor y buena conductividad garantizan una mayor atenuación de las ondas magnéticas.

Importancia de las aberturas, la resistencia y la conductividad

Las aberturas en la estructura del material, incluso si son pequeñas, actúan como canales que permiten la penetración del campo magnético. Su tamaño y disposición deciden la cantidad de campo que se "escapa" a través de la pantalla. Por lo tanto, es importante elegir materiales con porosidad mínima o utilizar capas adicionales que llenen estos espacios.

La resistencia superficial del material es otro parámetro importante. Una baja resistencia favorece el flujo de la corriente de blindaje y aumenta la eficiencia de la atenuación del campo. En la práctica, esto significa que incluso cambios menores en la composición o estructura de las fibras pueden tener un impacto notable en el rendimiento de la pantalla.

La conductividad, a su vez, debe ser lo más alta posible, lo que a menudo se logra utilizando fibras metálicas o recubrimientos conductores. Las fibras de carbono o níquel son soluciones populares que combinan buenas propiedades mecánicas con un blindaje efectivo.

La elección de un material de blindaje adecuado requiere un enfoque holístico que tenga en cuenta la banda de frecuencia de operación, la estructura del material, su conductividad y la presencia de aberturas. Un material bien elegido permite limitar de manera óptima la influencia del campo magnético, lo cual es crucial para la protección de los dispositivos electrónicos modernos contra las interferencias.

Resumen: ¿Qué influye en un blindaje magnético efectivo?

El blindaje del campo magnético es uno de los desafíos más difíciles en la ingeniería electromagnética. Como hemos demostrado a lo largo del artículo, la eficiencia de la protección contra interferencias depende de una combinación compleja de propiedades de material, estructurales y de frecuencia.

Factores que influyen en la eficiencia del blindaje:

• Propiedades eléctricas del material: Parámetros como la resistencia superficial (R'), la inductancia interna (L') y la capacitancia (C') determinan cómo el material reacciona a un campo magnético variable. Los materiales con baja resistencia y una inductancia seleccionada correctamente atenúan el campo de manera más efectiva.
• Estructura de las fibras y la malla conductora: La densidad y la disposición de las fibras conductoras tienen una enorme importancia. Las mallas con pequeñas aberturas garantizan una menor penetración del campo magnético, y la disposición de las fibras influye en la direccionalidad del blindaje.
• Mecanismos de penetración del campo: El campo magnético puede penetrar la pantalla por penetración inductiva y a través de las aberturas de aire. La comprensión del efecto piel y el papel de los espacios de aire permite un mejor diseño de una pantalla efectiva.
• Frecuencia del campo: La eficiencia del blindaje cambia con la frecuencia de la señal. A baja frecuencia, la continuidad de la superficie conductora es crucial, mientras que a alta frecuencia, las propiedades conductoras y el efecto piel son los más importantes.
• Características de los materiales probados: La comparación de seis materiales de blindaje diferentes mostró que los mejores resultados se obtienen con aquellos que tienen una alta conductividad y porosidad mínima, especialmente en la banda de hasta 1,5 GHz.

El blindaje magnético requiere no solo la elección del material apropiado, sino también la comprensión de sus propiedades físicas y electromagnéticas. Los materiales avanzados con fibras conductoras son una alternativa prometedora a las pantallas metálicas tradicionales, ofreciendo mayor flexibilidad y una aplicación más fácil.

Al diseñar sistemas de protección contra el campo magnético, vale la pena tener en cuenta todos los aspectos discutidos para garantizar la máxima protección de los dispositivos en un entorno electromagnético cada vez más complejo y exigente.

Fuentes: How Do Magnetic Fields Penetrate Shielding Materials? Characterization of Shielding Materials October 26, 2023 Gunter Langer and Amirali Taghavi