Экранирование магнитного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра вычислительной техники и защиты информации

Реферат на тему

Экранирование магнитного поля

Выполнили: студенты группы БПС - 205

А.А. Кирьянова

В.М. Михайлов

Приняла: д.т.н., профессор

И.В. Машкина

Уфа 2014

Содержание

Введение

Общие сведения об экранировании

Магнитное экранирование

Тест

Список литературы

Введение

XXI век - век информационных технологий. Материальные ресурсы теряют свое значение, и на смену им приходят информационные ресурсы, которые со временем неуклонно растут. Информационные технологии охватывают все сферы жизнедеятельности человека. Вместе с тем появляются информационные преступления и способы защиты информации.

Электронные и радиоэлектронные средства, особенно средства электросвязи, обладают основными электромагнитным излучением, специально вырабатываемым для передачи информации, и нежелательными излучениями, образующимися по тем или иным причинам конструкторско-технологического характера.

Все методы защиты информации от побочных электромагнитных излучений и наводок можно разделить на пассивные и активные.

Пассивные методы обеспечивают уменьшение уровня излучаемых сигналов и снижение их информативности.

Для защиты информации от утечки по электромагнитным каналам применяются как общие методы защиты от утечки, так и специфические - именно для этого вида каналов. Кроме того, защитные действия можно классифицировать на конструкторско-технологические решения, ориентированные на исключение возможности возниконовения таких каналов, и эксплуатационные, связанные с обеспечением условий использования тех или иных технических средств в условиях производственной и трудовой деятельности.

Конструкторно-технологические мероприятия по локализации возможности образования условий возникновения каналов утечки информации за счет побочных электромагнитных излучений и наводок в технических средствах обработки и передачи информации сводятся к рациональным конструкторно-технологическим решениям, к числу которых относятся:

- экранирование элементов и узлов аппаратуры;

- ослабление электрмагнитной, емкостной, индуктивной связи между элементами и токонесущими проводами;

- фильтрация сигналов в цепях питания и заземления и другие меры, связанные с использованием ограничителей, развязывающих цепей, систем взаимной компенсации, ослабителей и других мер по ослаблению или уничтожению побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

Общие сведения об экранировании

Наиболее эффективным способом защиты от ПЭМИН является экранирование, при котором элементы компьютерной системы (КС), создающие ЭМ излучения, размещаются в пространственно замкнутых конструкциях, препятствующих такому излучению во внешнюю среду.

Экранирование - в электротехнике и радиотехнике, способ снижения (подавления или значительного ослабления) влияния внешних паразитных электромагнитных полей, помех и наводок, мешающих работе электро- и радиотехнических установок, аппаратуры передачи и обработки данных и т.п.

Способы экранирования зависят от характеристик ЭМ полей, создаваемых КС при протекании в них электрических сигналов. Экранирование может происходить как на уровне отдельных элементов схем, так и на уровне блоков, устройств, кабельных линий связи, а также на уровне помещений, где находится КС.

Элементы схем с высоким уровнем побочных излучений могут помещаться в металлические или металлизированные напылением заземленные корпуса. Начиная с уровня блоков, экранирование осуществляется с помощью конструкций из листовой стали, металлических сеток и напыления. Экранирование кабелей производится с помощью металлической оплетки, стальных коробов и труб. Существенно более дорогим является экранирование помещений. Двери таких помещений делаются из стали или покрываются токопроводящими материалами. Окна так же экранируются сеткой, металлизированными шторами или оклеиваются токопроводящими пленками.

Экранирование позволяет защитить их от нежелательных воздействий аккустических и электромагнитных сигналов и излучений собственных электромагнитных полей, а также ослабить или исключить паразитное влияние внешних излучений. Помимо выполнения своей прямой функции, экранирование снижает вредное воздействие ЭМ излучений на организм человека. Характерным в этом отношении является, например, покрытие экрана монитора токопроводящей заземленной пленкой или металлической сеткой.

Качество экранирования характеризуется степенью ослабления ЭМП, называемой эффективностью экранирования. Она выражается отношением значений величин E, H, S в данной точке при отсутствии экрана к значениям Eэ, Hэ, Sэ в той же точке при наличии экрана. На практике обычно ослабление излучения оценивают в децибелах и определяют по одной из следующих формул:

L = 20lg (E/Eэ) - для электрического поля;

L = 20lg (H/Нэ) - для магнитного поля;

L = 10lg (P/Pэ) - для электромагнитного поля.

Экраны делятся на поглощающие и отражающие. Защитное действие отражающих экранов обусловлено тем, что воздействующее поле наводит в толще экрана вихревые токи, магнитное поле которых направлено противоположно первичному полю. Результирующее поле быстро убывает в экране, проникая в него на незначительную величину. Глубину проникновения ? для любого заранее заданного ослабления поля L можно вычислить по формуле:

? = ln L / v??(?/2),

где ? и ? - соответственно магнитная проницаемость (Гн/м) и удельная электрическая проводимость (См/м) материала. Для избежания эффекта насыщения экран делают многослойным, при этом желательно, чтобы каждый последующий (по отношению к экранируемому излучению) слой имел большее начальное значение магнитной проницаемости, чем предыдущий, так как эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в толщу материала обратно пропорциональна произведению его магнитной проницаемости и проводимости. Толщина экрана, необходимая для обеспечения заданного значения его эффективности, легко определяется из зависимости глубины проникновения от частоты для различных материалов, часто используемых при изготовлении экранов, приведены на рисунке:

Эффективность экранирования вследствие отражения можно просто определить как

где Z для металлических материалов можно представить в виде:

или

Значительно большего эффекта экранирования можно достичь, используя не однородные, а многослойные экраны той же суммарной толщины. Это объясняется наличием в многослойных экранах нескольких границ раздела поверхностей, на каждой из которых происходит отражение электромагнитной волны вследствие разницы волновых сопротивлений слоев. Эффективность многослойного экрана зависит не только от числа слоев, но и порядка их чередования. Наиболее эффективны экраны из комбинаций магнитных и немагнитных слоев, причем наружный по отношению к источнику излучения поля слой предпочтительнее выполнять из материала, обладающего магнитными свойствами.

Расчет эффективности экранирования двухслойными экранами из различных материалов показывает, что наиболее целесообразным в диапазоне частот 10 кГц -- 100 мГц является сочетание медного и стального слоев. При этом толщина магнитного слоя должна быть больше, чем немагнитного (сталь -- 82% общей толщины, медь --18%).

Зависимость эффективности экранирования двухслойного медно-стального цилиндрического экрана: 1--результирующая, 2 -- за счет поглощения, 3 -- за счет отражения.

Этот рисунок иллюстрирует расчетную зависимость эффективности экранирования электромагнитного поля на частоте 55 кГц двухслойным медно-стальным цилиндрическим экраном (радиус 17,5 мм, общая толщина слоев 0,4 мм) от изменения толщины каждого слоя.

На расстоянии, равном длине волны, ЭМП в проводящей среде полностью затухает, поэтому для эффективного экранирования толщина стенки экрана должна быть примерно равна длине волны в металле. Глубина проникновения ЭМП высоких и сверхвысоких частот очень мала, например для меди она составляет десятые и сотые доли миллиметра, поэтому толщину экрана выбирают по конструктивным соображениям.

В ряде случаев для экранирования применяют металлические сетки, позволяющие производить осмотр и наблюдение экранированных установок, вентиляцию и освещение экранированного пространства. Сетчатые экраны обладают худшими экранирующими свойствами по сравнению со сплошными. Их применяют в тех случаях, когда требуется ослабить плотность потока мощности на 20 - 30 дБ (в 100 - 1000 раз).

Все экраны должны заземляться. Швы между отдельными листами экрана или сетки должны обеспечивать надежный электрический контакт между соединяемыми элементами. Однако при экранировании магнитного поля заземление экрана не изменяет величины возбуждаемых в экране токов и, следовательно, на эффективность экранирования не влияет. Экранирование бывает электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное.

Электростатическое экранирование заключается в замыкании силовых линий электростатического поля источника на поверхность экрана и отводе наведенных зарядов на массу и землю. Такое экранирование эффективно для устранения емкостных паразитных связей. Экранирующий эффект максимален на постоянном токе и с повышением частоты снижается.

С повышением частоты сигнала применяется исключительно электромагнитное экранирование. Действие ЭМ экрана основано на том, что высокочастотное ЭМП ослабляется им же созданным (благодаря образующимся в толще экрана вихревым токам) полем обратного направления.

Если расстояние между экранирующими цепями, проводами, приборами составляет 10% от четверти длины волны, то можно считать, что ЭМ связи этих цепей осуществляются за счет обычных электрических и магнитных полей, а не в результате переноса энергии в пространтсве с помощью ЭМВ. Это дает возможность отдельно рассматривать экранирование электрических и магнитных полей, что очень важно, так как на практике преобладает какое-либо одно из полей и подавлять другое нет необходимости.

экранирование ферромагнитный фильтрация сигнал

Магнитное экранирование

Экранирование магнитных полей может быть осуществленно двумя методами:

Экранирование с помощью ферромагнитных материалов.

Экранирование с помощью вихревых токов.

Первый метод применяется обычно при экранировании постоянных МП и полей низкой частоты. Второй метод обеспечивает значительную эффективность при экранировании МП высокой частоты. Из-за поверхностного эффекта плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону:

Где -- показатель уменьшения поля и тока, который называют эквивалентной глубиной проникновения.

Чем меньше глубина проникновения, тем больший ток течет в поверхностных слоях экрана, тем больше создаваемое им обратное МП, вытесняющее из пространства, занятое экраном, внешнее поле источника наводки. Если экран сделан из немагнитного материала, то экранирующий эффект будет зависеть только от удельной проводимости материала и частоты экранирующего поля. Если экран сделан из ферромагнитного материала, то при прочих равных условиях внешним полем в нем будет наводиться большая э. д. с. благодаря большей концентрации магнитных силовых линий. При одинаковой удельной проводимости материала увеличатся вихревые токи, что приведет к меньшей глубине проникновения и к лучшему экранирующему эффекту.

При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а руководствоваться соображениями механической прочности, веса, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и прочим.

Из данных таблицы видно, что для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленки толщиной около 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированого гетинакса или стеклотекстолита. На больших частотах сталь дает больший экранирующий эффект, чем немагнитные металлы. Однако стоит учитывать, что такие экраны могут вносить значительные потери в экранируемые цепи вследствие большого удельного сопротивления и явления гистерезиса. Поэтому такие экраны применимы только в тех случаях, когда с вносимыми потерями можно не считаться. Так же для большей эффективности экранирования экран должен обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух, тогда силовые линии магнитного поля стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшем числе проникают в пространство вне экрана. Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия магнитного поля и для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана.

Существует много марок стали и пермаллоя с различными величинами магнитной проницаемости, поэтому для каждого материала нужно расчитывать величину глубины проникновения. Расчет производится по приближенному уравнению:

1) Защита от внешнего магнитного поля

Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля (линии индукции магнитного поля помех) будут проходить в основном по толще стенок экрана, обладающего малым магнитным сопротивлением по сравнению с сопротивлением пространства внутри экрана. В результате внешнее магнитное поле помех не будет влиять на режим работы электрической цепи.

2) Экранирование собственного магнитного поля

Такое кранирование используется, если ставится задача предохранения внешних электрических цепей от воздействия магнитного поля, создаваемого током катушки. Индуктивности L, т. е. когда требуется практически локализовать помехи, создаваемые индуктивностью L, то такая задача решается при помощи магнитного экрана, как это схематически показано на рисунке. Здесь почти все силовые линии поля катушки индуктивности будут замыкаться через толщу стенок экрана, не выходя за их пределы вследствие того, что магнитное сопротивление экрана намного меньше сопротивления окружающего пространства.

3) Двойной экран

В двойном магнитном экране можно представить себе, что часть магнитных силовых линий, которые выйдут за толщу стенок одного экрана, замкнутся через толщу стенок второго экрана. Точно также можно представить себе действие двойного магнитного экрана при локализации магнитных помех, создаваемых элементом электрической цепи, находящимся внутри первого (внутреннего) экрана: основная масса магнитных силовых линий (линии магнитного рассеяния) замкнется через стенки наружного экрана. Разумеется, что в двойных экранах должны быть рационально выбраны толщины стенок и расстояние между ними.

Общий коэффициент экранирования достигает наибольшей величииы в тех случаях, когда толщина стенок и промежуток между экранами увеличивается пропорционально расстоянию от центра экрана, причем величина промежутка является средней геометрической величиной толщин стенок примыкающих к нему экранов. При этом коэффициент экранирования:

L = 20lg (H/Нэ)

Изготовление двойных экранов в соответствии с указанной рекомендацией практически затруднено из технологических соображений. Значительно целесообразнее выбрать расстояние между оболочками, прилегающими к воздушному промежутку экранов, большим, чем толщина первого экрана, приблизительно равным расстоянию между стеикой первого экрана и краем экранируемого элемента цепи (например, катушки иидуктивности). Выбор той или иной толщины стенок магнитного экрана нельзя сделать однозначным. Рациональная толщина стенок определяется. материалом экрана, частотой помехи и заданным коэффициентом экранирования. При этом полезно учитывать следующее.

1. При повышении частоты помех (частоты переменного магнитного поля помех) магнитная проницаемость материалов падает и вызывает снижение экранирующих свойств этих материалов, так как по мере снижения магнитной проницаемости возрастает сопротивление магнитному потоку, оказываемое экраном. Как правило, уменьшение магнитной проницаемости с повышением частоты идет наиболее интенсивно у тех магнитных материалов, у которых имеется наибольшая начальная магнитная проницаемость. Например, листовая электротехническая сталь с малой начальной магнитной проницаемостью мало изменяет величину jx с повышением частоты, а пермаллой, имеющий большие начальные значения магнитной проницаемости, весьма чувствителен к повышению частоты магнитного поля; магнитная проницаемость у него резко падает с частотой.

2. В магнитных материалах, подверженных действию высокочастотного магнитного поля помех, заметно проявляется поверхностный эффект, т. е. вытеснение магнитного потока к поверхности стенок экрана, вызывая увеличение магнитного сопротивления экрана. При таких условиях кажется, что почти бесполезно увеличивать толщину стенок экрана за пределы тех величин, которые заняты магнитным потоком при данной частоте. Такой вывод неправилен, ибо увеличение толщины стенок приводит к снижению магнитного сопротивления экрана даже при наличии поверхностного эффекта. При этом одновременно следует учитывать и изменение магнитной проницаемости. Так как явление поверхностного эффекта в магнитных материалах обычно начинает сказываться заметнее, чем снижение магнитной проницаемости в области низких частот, то влияние обоих факторов на выбор толщины стенок экрана будет различным на разных диапазонах частот магнитных помех. Как правило, снижение экранирующих свойств с повышением частоты помехи сильнее проявляется в экранах из материалов с высокой начальной магнитной проницаемостью. Указанные выше особенности магнитных материалов дают основание для рекомендаций по выбору материалов и толщины стенок магнитных экранов. Эти рекомендации могут быть сведены к следующим:

А) экраны из обычной электротехнической (трансформаторной) стали, обладающие малой начальной магнитной проницаемостью, можно применять при необходимости обеспечить малые коэффициенты экранирования (Кэ 10); такие экраны обеспечивают почти неизменный коэффициент экранирования в достаточно широкой полосе частот, вплоть до нескольких десятков килогерц; толщина таких экранов зависит от частоты помехи, причем чем ниже частота, тем большая толщина экрана требуется; например, при частоте магнитного поля помех 50--100 гц толщина стенок экрана должна быть приблизительно равна 2 мм; если требуется увеличение коэффициента экранирования или большая толщина экрана, то целесообразно применять несколько экранирующих слоев (двойных или тройных экранов) меньшей толщины;

Б) экраны из магнитных материалов с высокой начальной проницаемостью (например пермаллой) целесообразно применять при необходимости обеспечения большого коэффициента экранирования (Кэ > Ю) в сравнительно узкой полосе частот, причем толщину каждой оболочки магнитного экрана нецелесообразно выбирать больше 0,3--0,4 мм; экранирующее действие таких экранов начинает заметно падать на частотах, выше нескольких сот или тысяч герц, в зависимости от начальной проницаемости этих материалов.

Все сказанное выше о магнитных экранах справедливо в отношении слабых магнитных полей помех. Если же экран находится вблизи от мощных источников помех и в нем возникают магнитные потоки с большой магнитной индукцией, то, как известно, приходится учитывать изменение магнитной динамической проницаемости в зависимости от индукции; необходимо также учитывать при этом потери в толще экрана. Практически же с такими сильными источниками магнитных полей помех, при которых надо было бы считаться с их действием на экраны, не встречаются, за исключением некоторых специальных случаев, не предусматривающих радиолюбительскую практику и нормальные условия работы радиотехнических устройств широкого применения.

Тест

1. При магнитном экранировании экран должен:

1) Обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух

2) обладать равным воздуху магнитным сопротивлением

3) обладать большим магнитным сопротивлением, чем воздух

2. При экранировании магнитного поля Заземление экрана:

1) Не влияет на эффективность экранирования

2) Увеличивает эффективность магнитного экранирования

3) Уменьшает эффективность магнитног экранирования

3. На низких частотах (<100кГц) эффективность магнитного экранирования зависит от:

а) Толщины экрана, б) Магнитной проницаемости материала, в) Расстояния между экраном и другими магнитопроводами.

1) Верно только а и б

2) Верно только б и в

3) Верно только а и в

4) Все варианты верны

4. В магнитном экранировании при низких частотах используется:

1) Медь

2) Аллюминий

3) Пермаллой.

5. В магнитном экранировании при высоких частотах используется:

1) Железо

2) Пермаллой

3) Медь

6. На высоких частотах (>100кГц) эффективность магнитного экранирования не зависит от:

1) Толщины экрана

2) Магнитной проницаемости материала

3) Расстояния между экраном и другими магнитопроводами.

Использованная литература

1. Волин, М. Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре / М. Л. Волин - Москва, «Радио и связь», 1981г.

2. Семененко, В. А. Информационная безопасность / В. А. Семененко - Москва, 2008г.

3. Ярочкин, В. И. Информационая безопасность / В. И. Ярочкин - Москва, 2000г.

4. Демирчан, К. С. Теоретические основы электротехники III том / К. С. Демирчан С.-П, 2003г.

Размещено на Allbest.ur