Jak Pole Magnetyczne przenika Materiały Ekranujące? Analiza i porównanie

Dlaczego ekranowanie pola magnetycznego jest wyzwaniem?

Ekranowanie pól magnetycznych stanowi jedno z bardziej złożonych zagadnień w inżynierii elektromagnetycznej. W przeciwieństwie do pola elektrycznego, które można stosunkowo łatwo blokować warstwami przewodzącymi czy izolującymi, pole magnetyczne ma zdolność przenikania przez wiele materiałów, co znacznie utrudnia jego skuteczne tłumienie.

Główne trudności wynikają z faktu, że pole magnetyczne nie oddziałuje bezpośrednio z ładunkami elektrycznymi, lecz z przepływającymi prądami i momentami magnetycznymi. Dlatego materiały stosowane do ekranowania muszą nie tylko przewodzić prąd, ale także odpowiednio reagować na zmiany pola, co w praktyce oznacza konieczność uwzględnienia wielu parametrów fizycznych i konstrukcyjnych.

Typowe metalowe osłony, wykonane z folii czy blachy, doskonale tłumią pole magnetyczne dzięki wysokiej przewodności oraz efektowi naskórkowemu (skin effect), który ogranicza przenikanie pola do bardzo cienkiej warstwy powierzchniowej materiału. Niestety, takie rozwiązania są sztywne i mało elastyczne, co w wielu nowoczesnych aplikacjach, np. w elektronice noszonej czy elastycznych obwodach, jest znaczącą wadą.

Kliknij i zobacz nasze Ekrany dwuczęściowe serii MS

Rys. 1. Metalowy ekran PCB

Dlatego coraz większe znaczenie zyskują materiały ekranujące z włóknami przewodzącymi, które oferują elastyczność i łatwość adaptacji do różnych kształtów. Jednak ich działanie jest bardziej złożone i wymaga szczegółowego zrozumienia mechanizmów przenikania pola magnetycznego przez ich strukturę.

Kliknij i zobacz nasze Tkaniny przewodzące i ekranujące EMI/EMC

Rys. 2 Elastyczny materiał przewodzący

Materiały ekranujące z włóknami przewodzącymi – alternatywa dla metali

Osłony magnetyczne wykonane z metali, takich jak miedź czy aluminium, choć bardzo skuteczne, mają istotne ograniczenia. Ich sztywność i brak elastyczności sprawiają, że nie zawsze można je łatwo zastosować w nowoczesnych, często złożonych konstrukcjach elektronicznych czy w urządzeniach wymagających giętkich materiałów ochronnych.

W odpowiedzi na te wyzwania powstały materiały ekranujące oparte na włóknach przewodzących. Są to zwykle włókna metalizowane lub pokryte warstwą metalu, uformowane w siatki lub tkaniny, które tworzą lekkie, elastyczne i łatwe do dopasowania osłony. Takie rozwiązania coraz częściej stosuje się w elektronice noszonej, w przemyśle motoryzacyjnym czy w telekomunikacji, gdzie wymagane są zarówno właściwości ekranowania, jak i komfort użytkowania.

Włókna przewodzące tworzą kratownicę złożoną z krótkich, zwarciowych oczek (mesh), które odpowiadają za tłumienie pola magnetycznego. Jednak ich działanie jest znacznie bardziej skomplikowane niż w przypadku jednolitych metalowych osłon. Wpływ na skuteczność ma bowiem nie tylko przewodność samego metalu, ale także jego układ przestrzenny, rozmiar otworów między włóknami, oraz parametry elektryczne samej struktury.

Kliknij i sprawdź nasze Namioty EMC

Rys. 3. Namiot EMC

Dodatkowo, wewnętrzne parametry takie jak rezystancja (R'), indukcyjność (L') i pojemność (C') tej włóknistej struktury mają decydujące znaczenie dla sposobu, w jaki pole magnetyczne jest tłumione. Złożoność tych mechanizmów powoduje, że skuteczność ekranowania nie jest stała, lecz zależy silnie od częstotliwości pola oraz od geometrii i właściwości samego materiału Rys. 4

Rys. 4 Zbliżenie materiału ekranującego

Parametry wpływające na skuteczność ekranowania magnetycznego

Skuteczność materiałów ekranujących pole magnetyczne zależy od wielu czynników, które można podzielić na dwie główne grupy: wewnętrzne właściwości materiału oraz strukturę fizyczną włókien przewodzących. Zrozumienie tych parametrów jest kluczowe, aby świadomie dobrać lub zaprojektować skuteczną osłonę magnetyczną.

Wewnętrzne właściwości materiału: R', L', C'

W literaturze technicznej i praktyce inżynierskiej ekranowanie opisuje się m.in. przez trzy podstawowe parametry:

• R' (rezystancja liniowa) – określa opór elektryczny przewodników wewnątrz materiału, który wpływa na tłumienie prądów wirowych generowanych przez zmienne pole magnetyczne.
• L' (indukcyjność liniowa) – odpowiada za zdolność materiału do magazynowania energii w polu magnetycznym i reguluje rozprzestrzenianie się fal elektromagnetycznych.
• C' (pojemność liniowa) – związana z właściwościami dielektrycznymi oraz układem przewodzących włókien względem siebie, wpływa na zachowanie się pola elektrycznego.

Te trzy parametry współdziałają, determinując, jak pole magnetyczne jest tłumione i jak przenika przez strukturę ekranującego materiału. Zmieniają się one wraz z częstotliwością sygnału, co dodatkowo komplikuje analizę i wymaga specjalistycznych pomiarów.

Znaczenie struktury włókien i siatki przewodzącej

Oprócz parametrów elektrycznych, na skuteczność ekranowania ogromny wpływ ma fizyczna struktura materiału. W przypadku włóknistych materiałów ekranujących kluczowe znaczenie mają:

• Rozmiar i kształt oczek siatki – im mniejsze otwory, tym skuteczniejsze blokowanie pola magnetycznego, szczególnie w wyższych zakresach częstotliwości.
• Ułożenie i gęstość włókien – wpływa na równomierność pokrycia i ciągłość ścieżek przewodzących prądy wirowe.
• Przewodność włókien – materiały o wyższej przewodności (np. miedź, srebro) lepiej tłumią pole magnetyczne, ale mogą być droższe lub mniej elastyczne.

Struktura materiału decyduje, czy pole magnetyczne będzie przenikać głównie przez metalowe włókna lub przez powietrzne otwory między nimi. Ta dynamiczna relacja między polem magnetycznym a strukturą fizyczną wyjaśnia złożoność skuteczności ekranowania w zależności od warunków pracy.

Skuteczne ekranowanie to nie tylko kwestia materiału, ale także jego struktury i właściwości elektrycznych. Aby przewidzieć efektywność osłony, konieczne jest kompleksowe podejście, które uwzględnia te wszystkie parametry i ich wzajemne zależności.

Jak pole magnetyczne przenika przez ekran? Mechanizmy działania

Zrozumienie, jak pole magnetyczne przenika przez materiał ekranujący, jest istotne dla optymalizacji ochrony elektromagnetycznej. Proces ten nie jest prosty, ponieważ zachowanie pola zależy od wielu czynników, w tym od częstotliwości sygnału oraz od struktury samego materiału

Zasada sprzężenia pola magnetycznego (przedstawiona bez efektu naskórkowego)

Opis penetracji pola magnetycznego przez ekran

Pole magnetyczne oddziałuje z ekranem głównie poprzez indukcję – zmienne pole magnetyczne generuje w przewodzącym materiale prądy wirowe, które z kolei tworzą pole magnetyczne przeciwdziałające zewnętrznemu polu. Ta indukcyjna interakcja jest mierzona przez tzw. sprzężoną indukcyjność L12, która opisuje, jak skutecznie materiał „przepuszcza” pole magnetyczne.

Liniowo propagujący prąd i1 jest przykładany do dolnej strony materiału ekranującego (patrz Rysunek wyżej). Strumień magnetyczny Φ1 generowany przez prąd (Φ1 = L12 * i1) przenika materiał ekranujący w zależności od częstotliwości. Na powierzchni górnej strony materiału ekranującego indukowane jest napięcie u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

Indukcyjność L12 wiąże prąd i1 z napięciem u2. Indukcyjność L12 zależy od częstotliwości ze względu na efekt naskórkowy. Jej charakterystyka opisuje wpływ efektu naskórkowego, a tym samym właściwości magnetyczne materiału ekranującego. Napięcie u2 za ekranem może powodować inne zakłócenia, takie jak prądy, pola magnetyczne i elektryczne.

Do pomiaru indukcyjności L12 stosowana jest specjalna komora pomiarowa. (Rysunek niżej) przedstawia konfigurację tej komory. Materiał ekranujący jest umieszczany w metalowej zamkniętej obudowie komory pomiarowej. Na dolnej stronie materiału ekranującego znajduje się linia paskowa o impedancji 50 Ω (linia paskowa 1). Prąd i1 przepływający przez linię paskową wykorzystuje materiał ekranujący jako ścieżkę powrotną. Pole magnetyczne generowane przez prąd i1 przenika materiał ekranujący zgodnie z jego skutecznością ekranowania. Na górnej stronie materiału ekranującego znajduje się druga linia paskowa 50 Ω (linia paskowa 2). Napięcie u2 jest indukowane w linii paskowej 2 przez strumień magnetyczny Φ1.

Konfiguracja pomiarowa z liniami paskowymi i komorą pomiarową

Indukcyjność L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) opisuje, ile strumienia magnetycznego Φ1 może przeniknąć przez materiał ekranujący i indukować napięcie u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Jeśli w komorze pomiarowej nie ma materiału ekranującego (patrz Rysunek wyżej), mierzona jest referencyjna indukcyjność L12 dla konfiguracji pomiarowej (patrz niżej). Indukcyjność L12 pozostaje stała w szerokim zakresie częstotliwości. Koniec liniowej odpowiedzi częstotliwościowej komory pomiarowej następuje przy 1 GHz.

Charakterystyka częstotliwościowa i sprzężenie indukcyjne komory pomiarowej bez materiału ekranującego (i1 = const.)

Podczas pomiarów (np. w układzie ze striplinami, jak pokazano na Rysunku wyżej), napięcie indukowane w drugiej linii (u2) jest wskaźnikiem stopnia penetracji pola. Wartość indukcyjności L12 wyliczana jest ze wzoru:

L12= - U2/Wi1

gdzie U2 to napięcie indukowane, W – pulsacja, a i1 – prąd w pierwszej linii.

Mechanizmy ekranowania pola magnetycznego

Napięcie u2 indukowane przez pole magnetyczne (patrz Rysunek niżej) jest odczytywane przez linię paskową 2 jako u2'. Napięcie to jest nieco mniejsze od napięcia u2 na powierzchni materiału ekranującego, ponieważ część pola magnetycznego wciąż przenika przestrzeń pomiędzy linią paskową a materiałem ekranującym. Efekt ten jest w dalszej części pomijany, a u2' jest uznawane za identyczne z u2.

Odprowadzenie napięcia u2 za pomocą linii paskowej

Napięcie u2 indukowane w linii paskowej zależy od skuteczności ekranowania magnetycznego materiału ekranującego. Odpowiadająca mu indukcyjność L12 opisuje penetrację magnetyczną materiału ekranującego.

Rysunek 5 przedstawia indukowane napięcie u2 oraz indukcyjność L12 dla materiału ekranującego S10.

Indukcyjna penetracja materiału ekranującego S10

Przewodzące włókna w metalizowanej włókninie tworzą zwarte oczka. Pole magnetyczne jest wypierane z metalowych oczek wraz ze wzrostem częstotliwości (od 500 kHz do 200 MHz).

W niższym zakresie częstotliwości (poniżej 1 MHz) materiał ekranujący nie wykazuje efektu tłumienia (patrz Rysunek 5). Indukowane napięcie u2 oraz indukcyjność L12 są równe wartościom referencyjnym zmierzonym w pustej komorze.

Indukcyjna penetracja materiału ekranującego w niższym zakresie częstotliwości bez efektu naskórkowego.

Indukcyjna penetracja materiału ekranującego z efektem naskórkowym; pole magnetyczne przenika przez wypełnione powietrzem otwory w materiale

Od około 0,5 MHz indukcyjność pustej komory pozostaje stała na poziomie -169,8 dBH (3,23 nH). Poniżej 400 kHz indukcyjność wydaje się być zwiększona, co prawdopodobnie wynika ze wzrostu napięcia u2 spowodowanego wpływem pola elektrycznego linii paskowej 2.

Pierwsza zasada działania indukcyjnego

Od 0,5 MHz efekt naskórkowy zaczyna być zauważalny w metalowych częściach materiału ekranującego (patrz Rysunek 7). Napięcie u2 oraz indukcyjność L12 zmniejszają się progresywnie (patrz Rysunek 5). Indukowane napięcie osiąga swoją najniższą wartość przy 200 MHz. W tym punkcie pojawia się nowa zasada działania, która nakłada się na przemieszczenie pola w metalu włókien (patrz Rysunek 8).

Druga zasada działania indukcyjnego

Od 200 MHz napięcie u2 wzrasta liniowo z nachyleniem 20 dB/dec, a indukcyjność przechodzi w stałą krzywą: -235,9 dBH (0,16 pH) (patrz Rysunek 5).

Komponent pola magnetycznego F2 przenika przez wypełnione powietrzem otwory w materiale ekranującym. Dla niższych częstotliwości ten komponent pola magnetycznego był słabszy od tego, który przenika przez metal materiału ekranującego. W miarę dalszego wzrostu częstotliwości całe pole zostaje wypchnięte z metalu materiału ekranującego i przechodzi jedynie przez otwory wypełnione powietrzem (patrz Rysunek 8). Ścieżka propagacji linii pola magnetycznego przestaje się zmieniać wraz ze wzrostem częstotliwości, co sprawia, że indukcyjność pozostaje stała. Wartość indukcyjności L12 można ekstrapolować dla jeszcze wyższych częstotliwości.

Indukcyjność sprzęgająca L12 materiału ekranującego jest parametrem materiałowym, który można określić jako specyficzną liniową indukcyjność L12' [pH/cm].

Porównanie materiałów ekranujących

Indukcyjna penetracja ekranu została zmierzona dla sześciu materiałów ekranujących i przedstawiona na Rysunku 9.

Właściwości ekranowania magnetycznego sześciu materiałów ekranujących ze sprzężeniem indukcyjnym

Powyżej około 2 MHz można zaobserwować dobre właściwości ekranowania dla trzech materiałów (S10, S2 i 02). W przypadku trzech innych materiałów (01, 03 i 04) efekt ekranowania był nieobecny lub słaby aż do 1,5 GHz!

Efektywność ekranowania materiałów różni się znacznie – od nieskutecznej do skutecznej. Zakresy częstotliwości, w których występują różne zasady działania ekranowania, nieznacznie się przesuwają w zależności od materiału.

• Materiał ekranujący 04: Nie wykazuje efektu ekranowania magnetycznego, zachowuje się jak powietrze (pusta komora pomiarowa).
• Materiał ekranujący 03: Osiąga tłumienie pola magnetycznego jedynie na poziomie 3 dB przy 1 GHz.
• Materiał ekranujący 01: Osiąga tłumienie 12 dB przy 1 GHz.
• Materiały ekranujące 02, S2 i S10: Są skuteczne i wykazują częstotliwościowe zakresy dwóch zasad działania. W pierwszym zakresie (do 200 MHz) materiał działa przez wypieranie pola przez otwory w oczkach. W drugim zakresie (>200 MHz) efekt jest definiowany przez wielkość metalowych otworów w oczkach i ich rezystancję omową (tłumienie 40...65 dB). Struktura materiału ekranującego determinuje efekt w obu zakresach.

Indukcyjność sprzęgająca L12

Indukcyjność sprzęgająca L12 materiału ekranującego jest parametrem, który opisuje przenikanie pola magnetycznego przez materiał. Może być znormalizowana do prądu w linii o długości 10 mm. Tłumienie pola magnetycznego jest wyrażane jako różnica w dB między pomiarem z materiałem ekranującym a pomiarem referencyjnym (bez materiału): Tłumienie = L12-materiał [dBH] - L12-pustka [dBH]

Wnioski dotyczące projektowania

Jakość ekranowania pola magnetycznego zależy od wielkości otworów w oczkach, ich przekroju oraz przewodności. Wyniki pomiarów z Rysunku 9 wyraźnie pokazują wpływ materiałów ekranujących na pole magnetyczne, co stanowi korzyść dla ich aplikacji i rozwoju. Podczas projektowania materiałów ekranujących ważne jest konstruktywne wpływanie na dwie indukcyjne zasady działania.

Dwa główne mechanizmy ekranowania magnetycznego

Zrozumienie skuteczności ekranowania magnetycznego wymaga poznania podstawowych mechanizmów, które decydują o tym, jak pole magnetyczne jest tłumione lub przenika przez dany materiał. W badanych materiałach ekranujących wyróżniamy dwa kluczowe efekty:

I. Efekt naskórkowy (skin effect) i przesunięcie pola w metalu

Pierwszy mechanizm to tzw. efekt naskórkowy. Polega on na tym, że prąd przemienny (AC) przepływa głównie w cienkiej warstwie powierzchniowej przewodnika, zwanej „warstwą naskórkową”. W miarę wzrostu częstotliwości prądu, ta warstwa staje się coraz cieńsza, co skutkuje zwiększeniem oporu skutecznego i tłumieniem pola magnetycznego wewnątrz materiału. W praktyce oznacza to, że metalowe elementy siatki lub włókien przewodzących w materiale ekranowym „przesuwają” pole magnetyczne na zewnątrz, co ogranicza jego penetrację do wnętrza. Ten efekt jest szczególnie silny w zakresie częstotliwości od kilkuset megaherców w górę, gdy grubość warstwy naskórkowej staje się bardzo mała.

II. Przenikanie przez powietrzne otwory w materiale

Drugi mechanizm wiąże się z obecnością otworów, pustych przestrzeni lub „dziur” w strukturze materiału. W przypadku materiałów zbudowanych z siatek przewodzących lub włókien ułożonych w specyficzny sposób, pole magnetyczne może przenikać przez te nieosłonięte fragmenty.

Działanie tego mechanizmu jest dominujące zwłaszcza przy niższych częstotliwościach, do około 200 MHz, gdzie pole przenika głównie przez powietrzne przestrzenie między przewodzącymi elementami.

Skuteczność ekranowania zależy tu mocno od rozmiaru i kształtu tych otworów oraz od ich rozmieszczenia.

Rola struktury materiału w obu mechanizmach

Kombinacja tych dwóch zjawisk determinuje ostateczną skuteczność materiału ekranowego. Siatki o drobnych oczkach oraz włókna o wysokiej przewodności powodują silniejsze tłumienie pola magnetycznego, szczególnie w wyższych zakresach częstotliwości, gdzie efekt naskórkowy jest najbardziej efektywny.

Natomiast duże, nieregularne otwory mogą znacząco obniżać skuteczność ekranowania, umożliwiając przenikanie pola nawet przy wysokich częstotliwościach.

Jak dobrać odpowiedni materiał ekranujący?

Dobór materiału do skutecznego ekranowania pola magnetycznego to proces wymagający uwzględnienia kilku kluczowych czynników, które wpływają na efektywność ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Wiedza o tym, jak struktura materiału i jego właściwości elektryczne przekładają się na zachowanie ekranu w różnych warunkach, jest niezbędna, by zapewnić optymalne działanie urządzeń elektronicznych.

Zależność skuteczności od struktury i częstotliwości

Podstawową kwestią jest dobór materiału odpowiednio do zakresu częstotliwości, na których ma działać ekran. Na niskich częstotliwościach (kilkadziesiąt do kilkuset MHz) największe znaczenie ma minimalizacja powietrznych otworów w materiale. Nawet drobne przerwy czy szczeliny w siatce przewodzącej pozwalają na przenikanie pola magnetycznego, co znacząco obniża skuteczność ekranowania. W tym zakresie najlepiej sprawdzają się materiały o gęstej strukturze włókien, tworzące niemal nieprzerwaną powierzchnię przewodzącą.

W wyższych pasmach częstotliwości (setki MHz do GHz) kluczową rolę odgrywa efekt naskórkowy. Tu z kolei ważna jest wysoka przewodność włókien oraz ich układ – cienkie, dobrze ułożone przewodzące włókna tworzą warstwę, w której prąd przemienny może płynąć bez większych strat. Materiały o dużej grubości i dobrej przewodności zapewniają większe tłumienie fal magnetycznych.

Znaczenie otworów, rezystancji i przewodności

Otwory w strukturze materiału, nawet jeśli są niewielkie, działają jak kanały umożliwiające przenikanie pola magnetycznego. Ich rozmiar i rozmieszczenie decydują o tym, jak dużo pola „przecieka” przez ekran. Dlatego ważne jest, aby dobierać materiały o minimalnej porowatości lub stosować dodatkowe warstwy wypełniające te przestrzenie.

Rezystancja powierzchniowa materiału jest kolejnym istotnym parametrem. Niska rezystancja sprzyja przepływowi prądu ekranowego i zwiększa efektywność tłumienia pola. W praktyce oznacza to, że nawet niewielkie zmiany w składzie czy strukturze włókien mogą mieć zauważalny wpływ na działanie ekranu.

Przewodność natomiast powinna być możliwie najwyższa, co często osiąga się przez stosowanie włókien metalicznych lub powłok przewodzących. Włókna węglowe czy niklowe stanowią popularne rozwiązania łączące dobre właściwości mechaniczne z efektywnym ekranowaniem.

Wybór odpowiedniego materiału ekranującego wymaga holistycznego podejścia, uwzględniającego zakres częstotliwości pracy, strukturę materiału, jego przewodność oraz obecność otworów. Dobrze dobrany materiał pozwala na optymalne ograniczenie wpływu pola magnetycznego, co jest kluczowe dla ochrony nowoczesnych urządzeń elektronicznych przed zakłóceniami.

Podsumowanie: Co wpływa na skuteczne ekranowanie pola magnetycznego?

Ekranowanie pola magnetycznego to jedno z trudniejszych wyzwań inżynierii elektromagnetycznej. Jak pokazaliśmy w całym artykule, skuteczność ochrony przed zakłóceniami zależy od złożonej kombinacji właściwości materiałowych, strukturalnych i częstotliwościowych.

Czynniki wpływające na skuteczność ekranowania:

• Właściwości elektryczne materiału: Parametry takie jak rezystancja powierzchniowa (R’), indukcyjność wewnętrzna (L’) i pojemność (C’) decydują o tym, jak materiał reaguje na zmienne pole magnetyczne. Materiały o niskiej rezystancji i odpowiednio dobranej indukcyjności tłumią pole bardziej efektywnie.
• Struktura włókien i siatki przewodzącej: Gęstość oraz układ włókien przewodzących ma ogromne znaczenie. Siatki o małych oczkach zapewniają mniejsze przenikanie pola magnetycznego, a ułożenie włókien wpływa na kierunkowość ekranowania.
• Mechanizmy przenikania pola: Pole magnetyczne może penetrować ekran poprzez indukcyjną penetrację i przez otwory powietrzne. Zrozumienie efektu naskórkowego oraz roli powietrznych szczelin pozwala lepiej zaprojektować skuteczny ekran.
• Częstotliwość pola: Skuteczność ekranowania zmienia się wraz z częstotliwością sygnału. Na niskich częstotliwościach kluczowa jest ciągłość powierzchni przewodzącej, a na wysokich – właściwości przewodzące i efekt naskórkowy.
• Charakterystyka materiałów testowanych: Porównanie sześciu różnych materiałów ekranujących wykazało, że najlepsze wyniki osiągają te z wysoką przewodnością i minimalną porowatością, szczególnie w zakresie do 1,5 GHz.

Ekranowanie magnetyczne wymaga nie tylko wyboru odpowiedniego materiału, ale też zrozumienia jego właściwości fizycznych i elektromagnetycznych. Zaawansowane materiały z włóknami przewodzącymi stanowią obiecującą alternatywę dla tradycyjnych ekranów metalowych, oferując większą elastyczność i łatwość zastosowania.

Przy projektowaniu systemów ochrony przed polem magnetycznym warto zwrócić uwagę na wszystkie omówione aspekty, aby zapewnić maksymalną ochronę urządzeń w środowisku elektromagnetycznym, które staje się coraz bardziej złożone i wymagające.

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