Magnetické stínění je proces, při kterém se magnetické pole přesměrovává, místo aby bylo úplně zablokované. Je důležité pochopit, že žádný materiál nemůže zcela zastavit magnetické pole. Místo toho mohou být magnetická pole přesměrována okolo citlivého zařízení nebo prostoru, což snižuje jejich vliv.
Proč je magnetické stínění důležité?
Magnetické stínění je důležité, protože magnetická pole mohou nepříznivě ovlivnit elektronické zařízení, narušovat přesné měřicí přístroje a dokonce mohou mít vliv na zdraví v určitých situacích. V praxi se používá k ochraně citlivých zařízení, jako jsou lékařské přístroje, elektronika a datová úložiště, před nežádoucími magnetickými poli. Magnetické stínění je klíčové pro správnou funkci těchto zařízení a pro zachování integrity dat a signálů, které zpracovávají nebo uchovávají. Magnetické pole generované proudem lze použít k vyrovnání původního magnetického pole.
Prevence neúmyslných interakcí
Magnety se mohou navzájem přitahovat nebo odpuzovat navzájem a jinými magnetickými materiály, což může vést k nežádoucím interakcím.
Zachování síly magnetu
Silné magnety mohou ztratit svůj magnetismus nebo se demagnetizovat, pokud jsou neustále vystaveny magnetickým polím nebo se mohou vzájemně přitahovat.
Předcházení poškození
Magnety mohou být křehké a náchylné k poškození, pokud narazí do sebe nebo s jinými předměty.
Čtěte také: Průvodce kročejovou izolací
Bezpečnostní opatření
Manipulace se silnými magnety může představovat bezpečnostní rizika, zvláště pokud se nechají neočekávaně vzájemně přitahovat nebo pokud přijdou do kontaktu s feromagnetickými materiály.
Principy magnetického stínění
Magnetické pole lze přesměrovat poskytnutím alternativní cesty pro magnetický tok, což snižuje jeho intenzitu v určitých oblastech. Stínění funguje tak, že se vytvoří „snazší cesta“ pro magnetické pole, aby mohlo proudit mimo chráněný objekt nebo prostor.
Stínění lze podle mechanismu rozdělit na stínění elektrického pole, stínění magnetického pole a stínění elektromagnetického pole. Stínění elektrického pole je kovové uzemnění založené na uvažování indukce elektrického pole jako vazby mezi distribuovanými kondenzátory. Princip stínění magnetického pole je odlišný pro nízkofrekvenční magnetické pole a vysokofrekvenční magnetické pole.
Stínění nízkofrekvenčního magnetického pole
U nízkofrekvenčního magnetického pole závisí magnetické stínění hlavně na nízkém magnetickém odporu vysokovodivého magnetického materiálu, který hraje roli posunu na magnetický tok, takže magnetické siločáry jsou koncentrovány uvnitř stínícího materiálu, což značně oslabuje magnetické pole uvnitř stíněného předmětu.
Stínící materiál nízkofrekvenčního magnetického pole proto často používá magnetický materiál s vysokou vodivostí, jako je permalloy, plech z křemíkové oceli atd. Současně by se měla zvýšit tloušťka stínícího tělesa, aby se snížil magnetický odpor stínícího tělesa.
Čtěte také: IPA asfaltová izolace: Co potřebujete vědět
Aby se snížil magnetický tok procházející stíněným předmětem, neměl by být stíněný předmět umístěn blízko stínění. Pozornost je třeba věnovat konstrukčnímu řešení štítu. Všechny spoje a ventilační otvory mohou zvýšit magnetický odpor stínění a tím snížit stínící účinek.
Pro stínění silného magnetického pole lze použít strukturu dvouvrstvého magnetického stínění. Pro stínění vnějšího silného magnetického pole je vnější vrstva stínění vyrobena z materiálů, které nelze snadno nasytit, jako je křemíková ocel; kromě toho lze interně vybrat materiály s vysokou propustností, které mohou snadno dosáhnout nasycení, jako je permalloy. Naopak, má-li být vnitřní silné magnetické pole odstíněno, mělo by se pořadí uspořádání materiálu obrátit.
Při instalaci vnitřního a vnějšího štítu věnujte pozornost izolaci mezi nimi. Pokud není vyžadováno uzemnění, lze jako podpěru použít izolační materiál. Je-li vyžadováno uzemnění, lze jako nosič zvolit neferomagnetické materiály (jako je měď a hliník).
Stínění vysokofrekvenčního magnetického pole
Pro vysokofrekvenční magnetické pole v současnosti neexistuje materiál s vysokou permeabilitou pro stínění. Materiály s vysokou propustností při nízkých frekvencích se stávají velmi nízkými při vysokých frekvencích. Dokonce i propustnost speciálního vysokofrekvenčního feritu je obtížné překročit 100, což je mnohem horší než propustnost tisíců čistých železných nebo křemíkových ocelových plechů při nízké frekvenci a nemůže účinně koncentrovat magnetické pole.
Tyto materiály jsou zároveň jednorázovými formovacími materiály a nelze je po vypálení zpracovat dvakrát, aby vyhověly různým potřebám. Při výrobě je stínění vysokofrekvenčního magnetického pole často realizováno použitím dobrých vodičů, jako je měď a hliník. Důvod, proč měď a hliník mohou stínit vysokofrekvenční střídavé magnetické pole, je ten, že vysokofrekvenční střídavé magnetické pole může způsobit velké vířivé proudy na mědi a hliníku. Vlivem demagnetizace vířivých proudů je magnetické pole u stínění značně oslabeno, takže vysokofrekvenční střídavé magnetické pole uvnitř stínění nemůže pronikat mimo stínění.
Čtěte také: Radon a asfaltová izolace
Stejně tak vysokofrekvenční střídavé magnetické pole mimo kryt nemůže proniknout do krytu, čímž je dosaženo účelu magnetického stínění. Obecně platí, že čím menší je měrný odpor kovu, tím větší je způsobený vířivý proud a tím lepší je stínící účinek stínění vyrobeného z tohoto kovu.
Materiály pro magnetické stínění
Pro magnetické stínění se používají různé feromagnetické kovy, jako je třeba ocel. Speciálně navržené materiály, například Mu-Metal, jsou často využívané pro jejich vysokou propustnost, která umožňuje absorpci magnetického toku. MuMetal a podobné slitiny mají vysoký obsah niklu a jsou efektivní ve stínění proti slabým magnetickým polím, zatímco pro silnější pole může být vhodnější ocel kvůli vyšší možnosti nasycení.
Pro stínění silnějších magnetických polí je obvykle nejvhodnější použít nízkouhlíkovou ocel. Nízkouhlíkové oceli jsou oblíbené díky své dostupnosti a ekonomičnosti. Mají relativní propustnost mezi 1000 až 3000 a vysoký bod nasycení, což je přibližně 22 000 gaussů. Tato vlastnost umožňuje nízkouhlíkovým ocelím efektivně stínit i silnější magnetické pole bez toho, aby došlo k jejich nasycení.
Relativní propustnost je bezrozměrná jednotka, která vyjadřuje, jak dobře materiál vede magnetický tok ve srovnání s prázdným prostorem - vakuem. Hodnoty relativní propustnosti 1000 až 3000 pro nízkouhlíkovou ocel znamenají, že tento materiál může vést magnetický tok 1000 až 3000krát lépe než prázdný prostor. Mezi běžně používané magnetické stínící materiály patří nikl, ocel, železo atd., měkké magnetické slitiny, měkké magnetické ocelové desky atd.
Silné magnetické pole lze izolovat v uzavřeném prostoru, například pomocí antimagnetických boxů, antimagnetických místností a dalších opatření.
Tabulka níže porovnává vlastnosti různých materiálů používaných pro magnetické stínění:
| Materiál | Složení | Vhodnost pro stínění | Relativní propustnost | Bod nasycení (Gauss) |
|---|---|---|---|---|
| Mu-Metal | Vysoký obsah niklu | Slabá magnetická pole | Velmi vysoká (tisíce) | Nízký |
| Nízkouhlíková ocel | Železo s nízkým obsahem uhlíku | Silná magnetická pole | 1000 - 3000 | ~22 000 |
| Permalloy | Slitina niklu a železa | Nízkofrekvenční magnetická pole | Vysoká | Střední |
| Křemíková ocel | Železo s křemíkem | Nízkofrekvenční silná magnetická pole | Vysoká | Vysoký |
| Měď / Hliník | Měď / Hliník | Vysokofrekvenční střídavá magnetická pole | Nízká (díky vířivým proudům) | N/A |
Vliv tloušťky a tvaru materiálu na stínění
Tloušťka a tvar stínícího materiálu mají významný vliv na jeho schopnost odstínit magnetické pole. Tenký materiál může rychle dosáhnout bodu nasycení, což znamená, že již nedokáže absorbovat další magnetický tok. Pro efektivní stínění je třeba, aby materiál byl dostatečně silný. Pak může pojmout maximální množství magnetického toku. V některých případech se používá vícevrstvé stínění, aby se zvýšila efektivita. Pro stínění silných magnetických polí lze použít strukturu dvouvrstvého magnetického stínění.
Praktické využití magnetického stínění
Magnetické stínění nachází uplatnění v různých oblastech, od ochrany citlivých elektronických zařízení, jako jsou lékařské přístroje nebo počítačová záznamová média, až po využití v automobilovém průmyslu nebo ve výrobě elektroniky. Výběr správného stínícího materiálu a jeho správná aplikace jsou klíčové k dosažení požadovaného účinku, ať už jde o slabší nebo silnější magnetická pole. Efektivní magnetické stínění je zásadní pro ochranu a správnou funkci řady zařízení v moderním světě. Výběr správného stínícího materiálu, jeho tloušťka, tvar a správné použití, jsou klíčové pro dosažení optimálního výsledku. Zatímco některé specializované materiály, jako je například Mu-Metal, jsou vhodné pro odstínění slabšího magnetického pole, pro silnější pole bývá obvykle lepší volbou nízkouhlíková ocel.
Optické izolátory
Polovodičové lasery a optické zesilovače jsou velmi citlivé na odražené světlo z konektorů, spojů, filtrů atd., což způsobuje snížení výkonu. Proto je k zablokování odraženého světla nutný optický izolátor. Optický izolátor je optické pasivní zařízení, které umožňuje průchod světla pouze v jednom směru a blokuje světlo v opačném směru. Světlo odražené ozvěnou optického vlákna může být optickým izolátorem dobře izolováno a izolace představuje schopnost optického izolátoru izolovat (blokovat) ozvěnu.
Optický izolátor je velmi užitečné zařízení, které se obvykle používá v optické dráze, aby se zabránilo rušení a poškození světelného zdroje, zdroje čerpadla a dalších zařízení vyzařujících světlo způsobených ozvěnou v optické dráze. Existuje mnoho typů optických izolátorů, včetně in-line optických izolátorů, optických izolátorů volného prostoru atd. Vnitřní konstrukce optického izolátoru nezávislého na polarizaci 1310/1480/1550nm zachází se dvěma ortogonálními polarizačními stavy v jednovláknovém vlákně odděleně, aby byla zajištěna charakteristika celého zařízení nezávislá na polarizaci. Unipolární zařízení mají nízkou ztrátu vložení a dvoustupňová zařízení mají extrémně vysokou optickou izolaci. Jsou vhodné pro různé aplikace.
Princip optického izolátoru
Optický izolátor používá především Faradayův efekt magnetooptického krystalu. Faradayův efekt je prvním Faradayovým pozorováním v roce 1845, kdy neopticky aktivní materiál rotuje polarizačním směrem světla procházejícího materiálem působením magnetického pole. To je také nazýváno magneto-optický rotační efekt. Polarizované světlo přenášené ve směru magnetického pole má úhel otáčení θ směru polarizace a součin síly magnetického pole B a délky L materiálu v poměru.
Pro dopad signálového světla ve směru dopředu se po průchodu polarizátorem stává lineárně polarizovaným světlem. Spolu s vnějším magnetickým polem Faradayovo gyromagnetické médium otáčí polarizační směr signálového světla o 45 stupňů vpravo a umožňuje nízké ztráty průchodu a 45 stupňů otočený polarizátor. Pro zpětné světlo, když lineárně polarizované světlo vystupující z analyzátoru prochází umisťovacím médiem, směr průhybu se také otáčí o 45 stupňů doprava, takže směr polarizace zpětného světla je kolmý ke směru polarizátoru a zcela blokuje přenos odraženého světla.
Faradayovo magnetické médium obvykle používá yttrium železa granát (YIG) jeden krystal s nízkou optickou ztrátou v rozsahu vlnových délkách 1μm ~ 2μm. Optický izolátor nového pigtail vstupu a výstupu má poměrně dobrý výkon, nejnižší ztráta vložení je asi 0,5 dB, izolace je 35 ~ 60dB a nejvyšší může dosáhnout 70dB.
Úloha optického izolátoru
Jeho funkcí je zabránit nepříznivým účinkům zpětně vysílaného světla na optickou dráhu z různých důvodů na zdroj světla a optický systém dráhy. Například instalace optického izolátoru mezi polovodičovým laserovým zdrojem a optickým přenosovým systémem může výrazně snížit nepříznivé účinky odraženého světla na stabilitu spektrálního výstupního výkonu světelného zdroje.
Ve vysokorychlostní přímé modulaci a komunikačním systému s přímou detekcí optických vláken vytvoří zpětné světlo další šum, což sníží výkon systému. To také vyžaduje optický izolátor k odstranění. Instalace optických izolátorů na obou koncích dopovaného vlákna v zesilovači vláken může zlepšit pracovní stabilitu zesilovače vláken. Bez něj se zpětně odražené světlo dostane do zdroje signálu (laseru), což způsobí vážné výkyvy ve zdroji signálu. V koherentním optickém komunikačním systému pro dálkové optické vlákno je v intervalech instalován optický izolátor, který snižuje ztrátu výkonu způsobenou stimulovaným rozptylem Brillouinu. Optické izolátory proto hrají důležitou roli v komunikaci optických vláken, optických systémech zpracování informací, optickém snímání vláken a přesných optických měřicích systémech.
Vlastnosti optického izolátoru
Vlastnosti optického izolátoru jsou vysoká izolace, nízká ztráta vložení; vysoká spolehlivost, vysoká stabilita; extrémně nízká polarizační ztráta a rozptyl polarizačního režimu.
Supravodivé magnety
Magnetické pole elektromagnetu roste s elektrickým proudem tekoucím cívkou. Proud nemůžeme zvětšovat nade všechny meze, neboť Jouleho teplo by cívku zničilo i při sebelepším chlazení. Východiskem je zkrátit dobu generace magnetického pole (pulzní režim) nebo snížením generace Jouleho tepla - přechod k supravodivému materiálu. Pro termojaderný reaktor je vhodný druhý způsob - využití supravodičů. Nicméně i pulzní režim se používá, například pro studium chování materiálů v extrémních polích, a to od magnetické indukce 100 T (tesla) Pjotra Kapicy ve třicátých letech minulého století po 1 200 T dosažených v současné době Tokijskou univerzitou.
Supravodivost je zázrak fyziky: určité slitiny nebo sloučeniny se přestanou bránit ohmickým odporem proti průchodu elektřiny, když se ochladí na teploty blízké absolutní nule. V elektromagnetech vyrobených ze supravodivých cívek, jako bude mít ITER, klesá spotřeba elektrické energie na nulu. A další výhoda: uvnitř magnetů se nevytváří žádné teplo. Obrovské množství energie však přece vyžaduje chlazení magnetů.
Po mnoho let se výzkum na celém světě snažil vyvinout materiály, které by přecházely do supravodivého stavu při vyšších teplotách. Národní laboratoř pro vysoké magnetické pole (National High Magnetic Field Laboratory) v Tallahassee na Floridě nedávno oznámila významný průlom ve snaze o vysokoteplotní supravodiče: vyrobila a otestovala „malé velké cívky (Little Big Coils, LBC)“ o velikosti půl pinty (asi 0,25 litru), které fungovaly uvnitř otvoru velké vnější měděné cívky na pozadí jejího pole o velikosti přibližně 30 T, a samy generovaly dodatečných 14,5 T, čímž se v jejich malých otvorech vytvořilo celkové magnetické pole 45,5 Tesla. Tento experiment prokázal schopnost vysokoteplotních supravodičů pracovat ve velmi vysokých magnetických polích při velkých mechanických napětích. To by mohlo otevřít cestu nové generaci magnetů pro biomedicínský výzkum a pro fúzní reaktory.
V Národní laboratoři pro vysoké magnetické pole v Tallahassee, University of Florida, nedávno nový magnet o velikosti poloviny roličky vypotřebovaného toaletního papíru získal titul „nejsilnějšího magnetického pole na světě“ po kovovém titanu, který rekord držel po dvě desetiletí. Cívkou, kterou jste mohli vložit do dámské kabelky, vědci a inženýři MagLabu ukázali způsob, jak vyrobit a používat elektromagnety, které jsou silnější, menší a všestrannější než kdy předtím. „Opravdu otevíráme dveře novince,“ prohlásil inženýr Maglabu Seungyong Hahn, vynálezce nového magnetu a profesor na FAMU-FSU (Florida Agricultural and Mechanical University, Florida State University). „Tato technologie má velmi dobrý potenciál zcela změnit obzory aplikací vysokých polí díky své kompaktní povaze. To je opravdu milník miniaturizace, který by mohl potenciálně udělat pro magnety to, co křemík udělal pro elektroniku," řekl. Miniaturní magnet vytvořený inženýrem Seungyongem Hahnem a jeho týmem vytvořil světově rekordní magnetické pole 45,5 tesla. 45-T, jak se nazývá, je stále nejsilnějším pracovním magnetem na světě, který umožňuje špičkový fyzikální výzkum materiálů.
Jak mohlo něco tak malého vytvořit tak velké pole? Pomocí nového vodiče a nového magnetického uspořádání. Supravodiče použité v 45-T jsou slitiny na bázi niobu (jaké budou v tokamaku ITER), které fungují po desetiletí. Ve zkušebním magnetu 45,5-T však Hahnův tým použil novější slitinu s názvem REBCO (zkratka pro oxid měďnatý, oxid barynatý a oxidy vzácných zemin, rare earth barium copper oxide) s mnoha výhodami oproti konvenčním supravodičům. Takže REBCO, vyrobený ve tvaru pásků a navinutý do cívky, byl rozhodující pro světový rekord nového magnetu.
Dnešní elektromagnety obsahují izolaci mezi vodivými vrstvami, která směřuje proud na nejúčinnější cestu. Přidává však také hmotnost a objem. Inovace Seungyonga Hahna spočívá v tom, že eliminoval izolaci. Kromě toho, že tak získal hladší nástroj, tento nápad chrání magnet před poruchou známou jako quench. Quench může nastat, když poškození nebo nedokonalosti ve vodiči zmenší průřez dráhy pro elektrický proud, což způsobuje zahřívání materiálu a ten ztrácí své supravodivé vlastnosti. Pokud však neexistuje žádná izolace, proud si jednoduše najde jinou cestu a quench se neobjeví. Hahnův návrh s sebou nese další aspekt „hubnutí“, který se na quench váže: Supravodivé dráty a pásky musejí obsahovat trochu mědi, která odvádí teplo ze zahřívajících se míst.
Pod vedením veterána MagLabu inženýra Iaina Dixona, tým postavil v rychlém sledu tři postupně výkonnější prototypy, které se staly známé jako série Little Big Coil (LBC). Když bylo na čase vyzkoušet kombinaci magnetů, byly malé cívky umístěny uvnitř většího, silnějšího běžného elektromagnetu (vyrobeného z mědi a stříbra, ne ze supravodičů). Kombinovaná pole obou magnetů stoupala s každou vylepšující iterací cívky, až v srpnu 2017 dosáhla očekávané hodnoty. Tým dostal magnet na jeho hranici 45,5 tesla, z nichž 14,5 bylo generováno pomocí LBC. Poté vědci analyzovali data, sepsali výsledky a předložili je redakci časopisu Nature. Odpověď editorů příliš nadšení nevyvolala: Publikace není připravena. Světový rekord, i když působivý, nestačí. "Chceme vědět, proč neizolovaná cívka skončila na 45,5 T, a potřebujeme důkaz, že tato nová technologie povede ke skutečnému fungujícímu magnetu." „Abych byl upřímný, myslel jsem, že je to konec,“ řekl Hahn. Vědci jsou přesvědčeni, že teoreticky může REBCO fungovat i v polích podstatně vyšších, než bylo dosaženo v testu. Jaká překážka je tedy zastavila na 45,5 T, a jak by se mohli přes ní dostat? „Vyzvali nás,“ řekl Hahn, „a my jsme na výzvu zareagovali.“ Tým rozebral LBC, provedl sérii testů, shromáždil nová data. Domnívali se, že vodič se musel nějakým způsobem deformovat v důsledku mechanického namáhání vysokými poli. Ale kde přesně a jak? A bude „to“ možné opravit? Hledání odpovědí dostalo tým na špičku technologie - a to doslova.
Vzhledem k výrobním omezením jsou pásky REBCO vyráběny se specifickou šířkou 12 mm. Aby byly splněny požadavky LBC, musely být tyto pásky řezány podélně na šířku 4 mm. To je dost těžké, a to i s největší péčí, protože REBCO je docela křehké. V důsledku toho byly strany pásky, které byly řezány, při mechanickém namáhání vysokými magnetickými poli náchylné k praskání. "Při těchto experimentech se to krásně projevilo," řekl Larbalestier, kolega Hahna. „Našli jsme způsob, jak tuto chybu odstranit, což znamená, že budeme kupovat materiál, který má jednu neřezanou hranu, a orientujeme neřezanou hranu směrem od středu magnetu. A skutečně, při dodržení této podmínky se nedostatek neopakoval. Další krok? Pokračování výzkumu a odstraňování dalších problémů. „Nicméně základním problémem REBCO je, že je to jednovláknový vodič, který nemůže být nikdy vyroben dokonale,“ řekl Larbalestier. „Jakákoliv délka vodiče obsahuje řadu defektů, jejichž dopad na jakýkoliv budoucí magnet ještě není dobře pochopen. Ale tyto druhy výzev si vychutnáváme.“ „Bude to chvíli trvat, než se chyby vychytají,“ řekl Hahn. Ale je přesvědčen, že se tak stane. „Technicky vzato - je to selhání,“ řekl Hahn. „Ale je to velmi dobré selhání. Projekt LBC probíhá ve spolupráci MagLab Applied Superconductivity Centre, jeho divize Magnet Science and Technology Division a Národní univerzity v Soulu.
Národní laboratoř pro vysoké magnetické pole je největší a nejmodernější magnetická laboratoř na světě. Interdisciplinární Národní MagLab, který se nachází na Floridské státní univerzitě (University of Florida) a Národní laboratoři Los Alamos (Los Alamos National Laboratory, LANL), hostí vědecké pracovníky z celého světa, kteří se zabývají základním výzkumem silných magnetických polí, což napomáhá pochopení materiálů, energie a života.
tags: #izolace #magnetickeho #pole #principy