विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण

This article is about shielding materials. For atomic effect, see Shielding effect.

डिसअसेंबल किए गए चल दूरभाष के अंदर इलेक्ट्रोमैग्नेटिक शील्डिंग केज।

विद्युत अभियन्त्रण में, विद्युत चुम्बकीय ढाल विद्युत कंडक्टर या चुंबकत्व सामग्री से बने अवरोधों के साथ अंतरिक्ष में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (ईएमएफ) को कम करने या अवरुद्ध करने का अभ्यास है। यह आम तौर पर बाड़ों पर लागू होता है, बिजली के उपकरणों को उनके आस-पास से अलग करने के लिए, और [[बिजली की तारें]] को पर्यावरण से बिजली के तारों को अलग करने के लिए लागू किया जाता है जिसके माध्यम से केबल चलता है (see Shielded cable). इलेक्ट्रोमैग्नेटिक शील्डिंग जो आकाशवाणी आवृति (RF) विद्युतचुंबकीय व्यवधान को ब्लॉक करती है, उसे RF शील्डिंग के रूप में भी जाना जाता है।

EMF परिरक्षण विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को कम करने का कार्य करता है। परिरक्षण रेडियो तरंगों, विद्युत चुम्बकीय विकिरणों और इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्रों के युग्मन (इलेक्ट्रॉनिक्स) को कम कर सकता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्रों को अवरुद्ध करने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रवाहकीय बाड़े को 'फैराडे पिंजरे' के रूप में भी जाना जाता है। कमी की मात्रा उपयोग की गई सामग्री, उसकी मोटाई, परिरक्षित आयतन के आकार और ब्याज के क्षेत्रों की आवृत्ति और एक घटना विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में एक ढाल में छिद्रों के आकार, आकार और अभिविन्यास पर बहुत अधिक निर्भर करती है।

प्रयुक्त सामग्री

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक शील्डिंग के लिए उपयोग की जाने वाली विशिष्ट सामग्रियों में धातु की चादर , मेटल स्क्रीन और धातु फोम शामिल हैं। परिरक्षण के लिए सामान्य शीट धातुओं में तांबा, पीतल, निकल, चांदी, स्टील और टिन शामिल हैं। परिरक्षण प्रभावशीलता, अर्थात्, ढाल कितनी अच्छी तरह विद्युत चुम्बकीय विकिरण को प्रतिबिंबित या अवशोषित / दबाती है, धातु के भौतिक गुणों से प्रभावित होती है। इनमें चालकता, टांका लगाने की क्षमता, पारगम्यता, मोटाई और वजन शामिल हो सकते हैं। सामग्री के चयन में धातु के गुण एक महत्वपूर्ण विचार हैं। उदाहरण के लिए, विद्युत रूप से प्रभावी तरंगें तांबे, चांदी और पीतल जैसी अत्यधिक प्रवाहकीय धातुओं द्वारा परिलक्षित होती हैं, जबकि चुंबकीय रूप से प्रभावी तरंगें स्टील या स्टेनलेस स्टील जैसी कम प्रवाहकीय धातु द्वारा अवशोषित/दबाई जाती हैं। इसके अलावा, ढाल या जाल में कोई भी छेद विकिरण के तरंग दैर्ध्य की तुलना में काफी छोटा होना चाहिए, या संलग्नक प्रभावी रूप से एक अखंड संवाहक सतह का अनुमान नहीं लगाएगा।

एक अन्य आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली परिरक्षण विधि, विशेष रूप से प्लास्टिक के बाड़ों में रखे इलेक्ट्रॉनिक सामानों के साथ, धातु की स्याही या इसी तरह की सामग्री के साथ बाड़े के अंदर की परत लगाना है। स्याही में बहुत छोटे कणों के रूप में एक उपयुक्त धातु, आमतौर पर तांबा या निकल के साथ भरी हुई वाहक सामग्री होती है। यह बाड़े पर छिड़का जाता है और एक बार सूख जाने पर, धातु की एक सतत प्रवाहकीय परत का उत्पादन करता है, जिसे उपकरण के न्याधार ज़मीन से विद्युत रूप से जोड़ा जा सकता है, इस प्रकार प्रभावी परिरक्षण प्रदान करता है।

विद्युतचुंबकीय परिरक्षण एक क्षेत्र में प्रवाहकीय या चुंबकीय सामग्री के साथ बैरिकेडिंग करके विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को कम करने की प्रक्रिया है। ताँबा का उपयोग रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) परिरक्षण के लिए किया जाता है क्योंकि यह रेडियो तरंग और अन्य विद्युत चुम्बकीय तरंगों को अवशोषित करता है। आर्किटेक्चर में उचित रूप से डिजाइन और निर्मित कॉपर #रेडियो फ्रीक्वेंसी शील्ड कंप्यूटर और इलेक्ट्रिकल स्विचिंग रूम से लेकर अस्पताल कैट सकैन और एमआरआई सुविधाओं तक, अधिकांश आरएफ शील्डिंग जरूरतों को पूरा करता है। ईएमआई (विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप) परिरक्षण महान अनुसंधान रुचि का है और अधिक कुशल आरएफ/माइक्रोवेव-अवशोषित सामग्री (एमएएम) प्राप्त करने के लिए फेराइट्स, पॉलिमर और 2डी सामग्री से बने कई नए प्रकार के नैनोकंपोजिट विकसित किए जा रहे हैं।

अनुप्रयोगों का उदाहरण

परिरक्षण और अन्य परतों को दिखाते हुए एक समाक्षीय केबल के माध्यम से क्रॉस-सेक्शन

एक उदाहरण एक परिरक्षित केबल है, जिसमें एक आंतरिक कोर कंडक्टर के चारों ओर तार की जाली के रूप में विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण होता है। परिरक्षण कोर कंडक्टर से किसी भी सिग्नल को निकलने से रोकता है, और सिग्नल को कोर कंडक्टर में जोड़े जाने से भी रोकता है।

कुछ केबलों में दो अलग-अलग समाक्षीय स्क्रीन होते हैं, एक दोनों सिरों पर जुड़ा होता है, दूसरा केवल एक छोर पर, दोनों विद्युत चुम्बकीय और इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्रों के परिरक्षण को अधिकतम करने के लिए।

माइक्रोवेव ओवन के दरवाजे की खिड़की में एक स्क्रीन बनी होती है। माइक्रोवेव के दृष्टिकोण से (12 सेंटीमीटर की तरंग दैर्ध्य के साथ) यह स्क्रीन ओवन के धातु आवास द्वारा निर्मित एक फैराडे पिंजरे को पूरा करती है। 400 एनएम और 700 एनएम के बीच तरंग दैर्ध्य के साथ दृश्यमान प्रकाश, आसानी से स्क्रीन छेद के माध्यम से गुजरता है।

आरएफ परिरक्षण का उपयोग बायोमेट्रिक पासपोर्ट जैसे विभिन्न उपकरणों में एम्बेडेड आरएफआईडी चिप्स पर संग्रहीत डेटा तक पहुंच को रोकने के लिए भी किया जाता है। नाटो कीबोर्ड उत्सर्जन की निष्क्रिय निगरानी को रोकने के लिए कंप्यूटर और कीबोर्ड के लिए विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण को निर्दिष्ट करता है जो पासवर्ड को कैप्चर करने की अनुमति देगा; मुख्य रूप से निषेधात्मक लागत के कारण उपभोक्ता कीबोर्ड इस सुरक्षा की पेशकश नहीं करते हैं। आरएफ परिरक्षण का उपयोग एएम, एफएम, टीवी, आपातकालीन सेवाओं, प्रेषण, पेजर्स, ईएसएमआर, सेलुलर और पीसीएस सहित हस्तक्षेप संकेतों से सुरक्षा प्रदान करने के लिए चिकित्सा और प्रयोगशाला उपकरणों की सुरक्षा के लिए भी किया जाता है। इसका उपयोग एएम, एफएम या टीवी प्रसारण सुविधाओं पर उपकरणों की सुरक्षा के लिए भी किया जा सकता है।

विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण के व्यावहारिक उपयोग का एक अन्य उदाहरण रक्षा अनुप्रयोग होगा। जैसे-जैसे तकनीक में सुधार होता है, वैसे-वैसे विभिन्न प्रकार के नापाक विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप की संवेदनशीलता भी बढ़ती है। एक ग्राउंडेड कंडक्टिव बैरियर के अंदर एक केबल को घेरने का विचार इन जोखिमों को कम कर सकता है।

यह कैसे काम करता है

विद्युत चुम्बकीय विकिरण में युग्मित विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र क्षेत्र होते हैं। विद्युत क्षेत्र चालक के भीतर विद्युत आवेश वाहकों (अर्थात, इलेक्ट्रॉनों) पर बल उत्पन्न करता है। जैसे ही एक आदर्श कंडक्टर की सतह पर एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, यह एड़ी प्रवाह (बिजली) को प्रेरित करता है जो कंडक्टर के अंदर आवेश के विस्थापन का कारण बनता है जो अंदर लागू क्षेत्र को रद्द कर देता है, जिस बिंदु पर करंट रुक जाता है। अधिक व्याख्या के लिए फैराडे केज#ऑपरेशन देखें।

इसी तरह, अलग-अलग चुंबकीय क्षेत्र एड़ी धाराएं उत्पन्न करते हैं जो लागू चुंबकीय क्षेत्र को रद्द करने का कार्य करते हैं। (कंडक्टर स्थिर चुंबकीय क्षेत्रों पर तब तक प्रतिक्रिया नहीं करता जब तक कि कंडक्टर चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष गतिमान न हो।) परिणाम यह होता है कि विद्युत चुम्बकीय विकिरण कंडक्टर की सतह से परिलक्षित होता है: आंतरिक क्षेत्र अंदर रहते हैं, और बाहरी क्षेत्र बाहर रहते हैं।

वास्तविक आरएफ ढालों की परिरक्षण क्षमता को सीमित करने के लिए कई कारक काम करते हैं। एक यह है कि चालक के विद्युत प्रतिरोध के कारण उत्तेजित क्षेत्र घटना क्षेत्र को पूरी तरह से रद्द नहीं करता है। इसके अलावा, अधिकांश कंडक्टर कम आवृत्ति वाले चुंबकीय क्षेत्रों के लिए लोह चुंबकत्व प्रतिक्रिया प्रदर्शित करते हैं, ताकि ऐसे क्षेत्र कंडक्टर द्वारा पूरी तरह से क्षीण न हों। ढाल में कोई भी छेद करंट को अपने चारों ओर प्रवाहित करने के लिए मजबूर करता है, ताकि छिद्रों से गुजरने वाले क्षेत्र विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का विरोध करने के लिए उत्तेजित न हों। ये प्रभाव ढाल की क्षेत्र-परावर्तक क्षमता को कम करते हैं।

उच्च-आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय विकिरण के मामले में, उपर्युक्त समायोजन में नगण्य समय लगता है, फिर भी ऐसी कोई भी विकिरण ऊर्जा, जहाँ तक यह परिलक्षित नहीं होती है, त्वचा द्वारा अवशोषित हो जाती है (जब तक कि यह बहुत पतली न हो) , इसलिए इस मामले में अंदर कोई विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र भी नहीं है। यह एक बड़ी घटना का एक पहलू है जिसे त्वचा प्रभाव कहा जाता है। जिस गहराई तक विकिरण ढाल में प्रवेश कर सकता है उसका एक उपाय तथाकथित त्वचा की गहराई है।

चुंबकीय परिरक्षण

उपकरण को कभी-कभी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र से अलगाव की आवश्यकता होती है। स्थिर या धीरे-धीरे बदलते चुंबकीय क्षेत्र (लगभग 100 kHz से नीचे) के लिए ऊपर वर्णित फैराडे परिरक्षण अप्रभावी है। इन मामलों में उच्च चुंबकीय पारगम्यता धातु मिश्र धातुओं से बने ढाल का उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि permalloy और धातु में की चादरें या नैनोक्रिस्टलाइन अनाज संरचना फेरोमैग्नेटिक धातु कोटिंग्स के साथ। ये सामग्रियां विद्युत परिरक्षण की तरह चुंबकीय क्षेत्र को अवरुद्ध नहीं करतीं, बल्कि परिरक्षित आयतन के चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के लिए मार्ग प्रदान करते हुए, क्षेत्र को अपने भीतर खींचती हैं। चुंबकीय ढाल के लिए सबसे अच्छा आकार इस प्रकार परिरक्षित आयतन के आसपास एक बंद कंटेनर है। इस प्रकार के परिरक्षण की प्रभावशीलता सामग्री की पारगम्यता पर निर्भर करती है, जो आमतौर पर बहुत कम चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और उच्च क्षेत्र की ताकत दोनों पर गिरती है जहां सामग्री चुंबकीय संतृप्ति बन जाती है। इसलिए, कम अवशिष्ट क्षेत्रों को प्राप्त करने के लिए, चुंबकीय ढाल में अक्सर कई बाड़े होते हैं, एक दूसरे के अंदर, जिनमें से प्रत्येक क्रमिक रूप से इसके अंदर के क्षेत्र को कम करता है। परिरक्षण सतहों के भीतर प्रवेश छेद उनके प्रदर्शन को काफी कम कर सकते हैं।

निष्क्रिय परिरक्षण की उपरोक्त सीमाओं के कारण, स्थैतिक या निम्न-आवृत्ति क्षेत्रों के साथ प्रयोग किया जाने वाला एक विकल्प सक्रिय परिरक्षण है, जिसमें विद्युत चुम्बकों द्वारा निर्मित एक क्षेत्र एक आयतन के भीतर परिवेशी क्षेत्र को रद्द कर देता है। सोलनॉइड्स और हेल्महोल्ट्ज़ कॉइल्स कॉइल्स के प्रकार हैं जिनका उपयोग इस उद्देश्य के लिए किया जा सकता है, साथ ही चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के लिए कॉइल डिज़ाइन में उपयोग किए गए तरीकों से अनुकूलित विधियों का उपयोग करके डिज़ाइन किए गए अधिक जटिल तार पैटर्न। सक्रिय ढाल को निष्क्रिय ढाल के साथ विद्युत चुम्बकीय युग्मन के लिए भी डिज़ाइन किया जा सकता है, संकर परिरक्षण के रूप में जाना जाता है, ताकि निष्क्रिय ढाल से ब्रॉडबैंड परिरक्षण हो और सक्रिय प्रणाली का उपयोग करके विशिष्ट घटकों का अतिरिक्त रद्दीकरण हो।

इसके अतिरिक्त, अतिचालकता सामग्री मीस्नर प्रभाव के माध्यम से चुंबकीय क्षेत्र को बाहर निकाल सकती है।

गणितीय मॉडल

मान लीजिए कि हमारे पास सापेक्ष चुंबकीय पारगम्यता के साथ एक (रैखिक और आइसोट्रोपिक) प्रति-चुंबकीय सामग्री का एक गोलाकार खोल है $\mu _{\text{r}}$, आंतरिक त्रिज्या के साथ $a$ और बाहरी त्रिज्या $b$. फिर हम इस वस्तु को एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र में रखते हैं:

$$\mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}$$

चूँकि इस समस्या में प्रतिचुंबकीय सामग्री की सीमाओं पर संभावित बाध्य धाराओं को छोड़कर कोई धाराएँ नहीं हैं, तो हम एक चुंबकीय अदिश क्षमता को परिभाषित कर सकते हैं जो लाप्लास के समीकरण को संतुष्ट करती है:

$${\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}$$

कहाँ

$$\mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H}$$

इस विशेष समस्या में अज़ीमुथल समरूपता है इसलिए हम लिख सकते हैं कि गोलाकार निर्देशांक में लाप्लास के समीकरण का हल है:

$$\Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )$$

सीमा शर्तों के मिलान के बाद

$${\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}$$

सीमाओं पर (जहाँ ${\hat {n}}$ एक इकाई सदिश है जो पृष्ठ 1 से पार्श्व 2 की ओर इशारा करते हुए सामान्य है), तो हम पाते हैं कि गोलाकार खोल में गुहा के अंदर चुंबकीय क्षेत्र है:

$$\mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}$$

कहाँ $\eta$ एक क्षीणन गुणांक है जो प्रतिचुंबकीय सामग्री की मोटाई और सामग्री की चुंबकीय पारगम्यता पर निर्भर करता है:

$$\eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}$$

यह गुणांक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को उस गुहा से बचाने में इस सामग्री की प्रभावशीलता का वर्णन करता है जो इसे घेरता है। ध्यान दें कि यह गुणांक उचित रूप से 1 (कोई परिरक्षण नहीं) की सीमा में जाता है $\mu _{\text{r}}\to 1$. उस सीमा में $\mu _{\text{r}}\to \infty$ यह गुणांक 0 (पूर्ण परिरक्षण) पर जाता है। कब $\mu _{\text{r}}\gg 1$, तो क्षीणन गुणांक सरल रूप लेता है:

$$\eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}$$

जो दर्शाता है कि चुंबकीय क्षेत्र घटता है $\mu _{\text{r}}^{-1}$.

यह भी देखें

• विद्युतचुंबकीय व्यवधान
• [[विद्युत चुम्बकीय विकिरण और स्वास्थ्य]]
• विकिरण
• आयनकारी विकिरण सुरक्षा
• मु-धातु
• एमआरआई आरएफ परिरक्षण
• पर्मलॉय
• विद्युत क्षेत्र स्क्रीनिंग
• फैराडे गुफ़ा
• ऐनाकोइक कक्ष
• प्लाज्मा खिड़की

बाहरी संबंध

• All about Mu Metal Permalloy material
• Mu Metal Shieldings Frequently asked questions (FAQ by MARCHANDISE, Germany) magnetic permeability
• Clemson Vehicular Electronics Laboratory: Shielding Effectiveness Calculator
• Shielding Issues for Medical Products (PDF) — ETS-Lindgren Paper
• Practical Electromagnetic Shielding Tutorial
• Simulation of Electromagnetic Shielding in the COMSOL Multiphysics Environment