ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВ В ЭКРАНИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены возможности применения сверхпроводников в качестве отражающих защитных экранов электромагнитных волн, проблемы, возникающие при использовании сверхпроводящих материалов в экранировании электромагнитных полей.

ABSTRACT

The article discusses the possibilities of using superconductors as reflecting screens of electromagnetic waves, problems arising when using superconducting materials to shield electromagnetic fields.

Ключевые слова: экранирование электромагнитных полей, низкочастотные электромагнитные волны, диамагнетики, сверхпроводники.

Keywords: shielding of electromagnetic fields, low-frequency electromagnetic waves, diamagnets, superconductors.

Электромагнитные поля могут воздействовать на человека и аппаратуру по-разному, в зависимости от частоты и интенсивности. Электромагнитные волны определенных частот используются в медицине в качестве терапии и исследования биологического объекта [2], в качестве средства передачи информации, в качестве исследования параметров исследуемого объекта (например исследования химического состава объекта) [10]. Но воздействие электромагнитного излучения может нести и негативный эффект на живых существ и аппаратуру.

Воздействие электромагнитных волн различного диапазона частот на организм и аппаратуру

Низкочастотный диапазон излучения электромагнитных волн может негативно воздействовать на живой организм. Результатом воздействия на человека электромагнитного излучения низкочастотного диапазона является раздражение органов и тканей. В низкочастотном диапазоне электромагнитного излучения основную опасность представляет магнитная составляющая электромагнитной волны, так как для магнитных полей рассматриваемого диапазона частот организм практически прозрачен, а для электрических полей характерно слабое проникновение в тело человека. Среди низких частот выделяют частоты промышленной частоты. Электромагнитными полями промышленной частоты называют поля диапазона сверхнизких частот радиочастотного спектра и в нашей стране представлен частотой 50 Гц. Длительное воздействие электромагнитного излучения промышленной частоты может привести к ряду проблем со здоровьем [1]. Также определенную опасность несут электромагнитные волны, соответствующие звуковому диапазону. В качестве источников таких излучений выступают цепи и устройства звукоусилительной аппаратуры. При протекание больших токов по проводам кабелей звукоусилительной аппаратуры, провода излучают мощные магнитные поля, которые могут наводить ЭДС в любых токопроводящих конструкциях. Электромагнитные волны низких частот отличает падение скорости электромагнитной волны пропорционально квадратному корню их частоты. Поэтому большую опасность низкочастотные электромагнитные волны представляют вблизи источника излучения.

Методы защиты от электромагнитного излучения. Экранирование

Для того, чтобы минимизировать влияние электромагнитных полей используются различные методы [4], а государство четко регулирует обеспечение безопасности в условиях воздействия электромагнитных полей [6, 7]. Один из методов защиты от электромагнитного излучения – это экранирование. Этот метод позволяет локализовать побочные поля в пределах защищаемой контролируемой зоны без конструктивного изменения радиоэлектронного средства. Существуют следующие способы экранирования: электромагнитное экранирование, экранирования магнитного поля; экранирование электрического поля. При этом, в отличие от электрического, магнитное поле ослабить полностью нельзя. Самим распространенными методами экранирования являются: экраны, изготовленные из ферромагнитных или сверхпроводящих материалов. Такой способ эффективен для экранирования постоянного или низкочастотного магнитного поля. Второй способ экранирования- гашение вихревыми токами. Такой способ эффективен для экранирования электромагнитных полей высоких частот. Использование сверхпроводников в качестве магнитных экранов основано на эффекте Мейснера который заключается в вытеснении магнитного поля из сверхпроводника при его достижении им температуры ниже критической, во время которой он переходит в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводящие материалы обладают свойствами диамагнетика, то есть вещества, способного намагничиваться в противоположную от внешнего магнитного поля сторону. Диамагнетики делятся на несколько видов: классические диамагнетики полностью невосприимчивые к температурным перепадам; диамагнетики аномального типа-проницаемость и восприимчивость которых в сотни раз больше, чем у элементов классического типа и восприимчивые к температурным колебаниям; сверхпроводники, чьи свойства улучшаются при снижении температуры проводника. Сверхпроводники выталкивают из себя силовые линии магнитного поля, в то время как обычные диамагнетики не компенсируют полностью магнитное поле. К достоинствам такого способа экранирования можно отнести независимость их защитных свойств от частоты внешнего магнитного поля и от времени воздействия на экран внешнего магнитного поля. Но из-за неоднородности структуры сверхпроводящих материалов на практике эффект Мейснера реализовывается не полностью. Эффективность поглощения магнитного поля сверхпроводника зависит от химической чистоты материала экрана. Однако, диамагнетики могут применяться в качестве экранов в силовых установках, ускорителях, термоядерных реакторах и для экранирования космических аппаратов от космической радиации [8].

Измерение эффективности экранирования защитных экранов

Эффективность экранирования электромагнитной волны складывается из двух видов потерь, потерь отражения и потерь поглощения:

 – коэффициент эффективности экранирования электромагнитной волны;

 – коэффициент отражения экрана;

 – коэффициент полглощения экрана.

К_погл определяется одинаково для всех видов полей, как ближних, так и для дальних зон [9]. К_отр вычисляется по-разному так как, зависит от вида поля. Коэффициент отражения электромагнитного излучения защитного экрана можно определить с помощью радиометрического измерителя коэффициента отражения [3]. Но существует необходимость измерить не только коэффициент отражения экрана, но и зависимость интенсивности электромагнитного излучения самого экрана от интенсивности внешнего электромагнитного излучения. Для этих целей может применяться радиометр с двухчастотный коммутацией [2].

В результате рассмотрения свойств сверхпроводников можно заключить что сверхпроводники могут быть эффективны для отражения низкочастотных магнитных полей, в которых основную опасность представляет магнитная составляющая электромагнитной волны. Но использование отражающих экранов из сверхпроводника на практике связана с рядом трудностей, что ограничивает диапазон использования таких защитных экранов, и усложняет из производство.

Список литературы:

1. Филь, Е. С. Исследование низкочастотных магнитных полей и их воздействие на человека / Е. С. Филь, И. Ю. Игнатьева. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 18.1 (122.1). — С. 31-32. — URL: https://moluch.ru/archive/122/33786/ (дата обращения: 19.12.2022).
2. Новиков А.С., Программно-аппаратный комплекс для регистрации электромагнитных нолей биологических объектов: дис. Кандидат технических наук: 05.11.17/Новиков Александр Сергеевич; науч. рук. А.А. Яшин; ТулГУ.-Тула, 2007-258 с.
3. [Пат. 2675670 РФ, МПК G01R 29/08 (2006.01). Радиометрический измеритель коэффициента отражения в широкой полосе частот №2017140736: Заявл.2017.11.22: опубл. 12.21.2018 / Филатов А.В., Филатов Н.А., Тарасов С.Е.; заявитель ТУСУР. - 4с.: ил. - Текст: непосредственный.
4. Учебный центр охраны труда БГТУ: официальный сайт. – Белгород. – URL: http://wiki.beltrud.ru/elektromagnitnye-polya-promyshlennoj-chastoty/#:~:text=Электромагнитные%20поля%20промышленной%20частоты%20(ЭМП,стран%20Американского%20континента%2060%20Гц)(дата обращения:18.12.2022)
5. Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие для машиностроительных и других специальностей. /Б.П. Платонов, А.Б. Елькин, Г.В. Пачурин и др. / Под редакцией К.Н. Тишкова, М.В. Осина, Г.В. Пачурина - Н. Новгород: НГТУ, 1998. - с, ил.
6. СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям.
7. СанПиН 2.2.4.1191-03. Электромагнитные поля в производственных условиях.
8. Атомная и космическая отрасли России: Использование сверхпроводников для экранирования от сильного магнитного поля: Публицистический веб-ресурс: – URL: http://element114.narod.ru/Projects/sverhprovodn-ekran.html(дата обращения:18.12.2022)
9. Харлов Н.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 207 с.
10. Мельник, Н. А. Радиоаналитические методы анализа технологических продуктов и объектов природной среды. / Н. А. Мельник – Апатиты: КНЦ РАН, 2018 – 273 с.: ил.