شیلد مغناطیسی چیست؟

مقدمه ای بر شیلد مغناطیسی یا Magnetic shield

هدف از این مقاله یافتن راهی برای محافظت یک میدان مغناطیسی بسیار قوی است. مکان های مختلفی وجود دارد که ما نیاز به حفاظت از میدان های مغناطیسی به طور کامل یا بخشی از آنها داریم. مواد مورد استفاده در شیلد مغناطیسی می تواند فرومغناطیس،  پارامغناطیس و یا   دیامغناطیس باشند. به منظور پیدا کردن مواد مناسب، باید ورقه های مختلف تهیه شده از مواد متفاوت را امتحان کرد. مواد موجود برای محافظت مثل  فلز Mu   یا مو هزینه زیادی دارد و همچنین نمی تواند میدان مغناطیسی بسیار بالا را محافظت کند.

آیا می توانیم قدرت مغناطیسی را به 10% یا 20% قدرت اصلی کاهش دهیم؟

جواب این سوال جالب است؛ زیرا شما می توانید به هر اندازه که مورد نیاز آزمایش است، قدرت مغناطیسی را کاهش دهید. در این مقاله راه محافظت از قطعه مورد نظرتان (حتی قوی ترین  نئودینیم (Nd)) را یاد خواهید گرفت. شکل زیر قدرت میدان مغناطیسی نئودینیوم-آهن-بروم را نشان می دهد.

                                                                                   قدرت میدان مغناطیسی NdFeB

معرفی شیلد مغناطیسی

دستگاه های اندکی وجود دارد که در زندگی روزمره نیاز به شیلد مغناطیسی دارند، اما در بعضی مکان ها و گاهی در آزمایش ها، باید میدان را از چند جهت مختلف متوقف (Block) کنیم. در آن جهت می توانیم از مقداری مواد معمول موجود در بازار به عنوان شیلد یا عایق استفاده کنیم اما مواد فرومغناطیس می تواند آنها را به طور کامل محافظت کند. 

ویژگی ها

شیلد مغناطیسی برای محافظت از قطعات الکترونیکی و جلوگیری از موارد ناخواسته مورد استفاده قرار می گیرد. یک شیلد مغناطیسی، میدان مغناطیسی اطراف فوتو مولتی پلایر و جهات مختلف دیگر آن را منحرف می کند. درست شبیه به این است که یک سنگ را در رودخانه بیاندازید و حلقه های تشکیل شده در اطراف آن حرکت کند(حلقه ها همان خطوط میدان هستند). برخی از میدان های مغناطیسی بسیار قدرتمند اند و قادر به اشباع مواد به کار رفته در شیلد مغناطیسی هستند. بهتر است از موادی که دارای قابلیت اشباع بالایی هستند استفاده کنید؛ این مواد اشباع بالا از میدان مغناطیسی با قدرت بالا محافظت می کنند. 

برنامه ها/صنایعی که نیاز به استفاده از شیلد مغناطیسی دارند:

• - هوافضا
• - مواد بیودارویی
• - تجاری
• - کامپیوترها
• - صفحه نمایش های CRT
• - فرآیندهای Cryogenic
• - پزشکی
• - نظامی
• - تحقیق و توسعه
• - استفاده در فوتومولتی پلایرها به منظور بهبود عمکلرد

راه حل موجود برای محافظت مغناطیسی (فلز Mu)

فلز Mu یک آلیاژ مغناطیسی نرم آهن-نیکل با نفوذپذیری (Permability) بسیار بالا و مناسب برای محافظت از تجهیزات الکترونیکی حساس در برابر میدان مغناطیسی استاتیک یا کم فرکانس می باشد. این فلز چندین ترکیب مختلف دارد. یکی از ترکیبات آن تقریبا چنین است: 77% نیکل، 16% آهن، 5% مس، 2% کروم یا مولیبدن. به تازگی فلز Mu به عنوان ASTM A753 Alloy 4 در نظر گرفته می شود و تقریبا از 80% نیکل، 5% مولیبدن، مقدار کمی از عناصر مختلف دیگر مانند سیلیکون و 12 تا 15 % آهن تشکیل شده است. نام این فلز از حرف یونانی (μ) گرفته شده است. فلز Mu به طور معمول نفوذپذیری بین 80,000 تا 100,000 در مقایسه با استیل معمولی دارد. 

نفوذ پذیری بالای این فلز موجب کاهش مقاومت در برابر شار یا فلاکس(Flux) مغناطیسی می شود که منجر به استفاده از آن در سپرهای مغناطیسی استاتیک یا میدان های مغناطیسی با تغییرات آهسته می شود. محافظ های مغناطیسی ساخته شده با آلیاژهای با نفوذپذیری بالا مثل فلز Mu با مسدود کردن میدان مغناطیسی کار نمی کنند، بلکه یک راه برای خطوط میدان مغناطیسی در اطراف منطقه حفاظت شده فراهم می آورند.

خصوصیات مغناطیسی مواد Mu

[Density: 8.7 [g/cm3

[Young’s Modulus: 225 [GPA

Poisson Ratio: 0.29

[Yield Strength: 280 [MPa

[Ultimate Tensile Strength: 700 [MPa

[(Thermal Conductivity: 19 [W/ (m×K

[Linear Expansion: 1.2 [10-5 m/m/C

[(Specific Heat: 460 [J/ (kg×K

[Melting Point: 1440 [C

[Resistivity: 55 [μ/cm

قیمت فلز Mu بین 1 تا چند دلار برای تنها چند اینچ از ورقه آن متغیر است. این فلز قابلیت شکل پذیری دارد و میتوان آن  را به اشکال مختلف تهیه کرد. به طور مثال: فویل فلز مو، ورقه فلز مو و ... 

                                                                                                 فلز مو (Mu Metal) 

نکته: اگر میدان مغناطیسی شما قدرت کمی دارد یعنی به اندازه کافی قوی نباشد، به سادگی با یک ورق از آهن می توانید از آن محافظت کنید. اگر شما یک مگنت معمولی را محافظت می کنید، این کار به راحتی قابل انجام است. فولاد ضد زنگ (Stainless Steel) نیز می تواند مورد استفاده قرار بگیرد اما باید به صورت فرومغناطیس باشد.

                                                                   میدان مغناطیسی بعد از گذاشتن شیلد مغناطیسی از یک سو

نتایج

محافظت مغناطیسی می تواند توسط مواد مختلف به طور کامل انجام شود و بستگی به انواع مگنت ها دارد. پس از اضافه کردن یک ورق به عنوان شیلد مغناطیسی به نقطه ای می رسیم که تمام نیروهای رانش (Repulsion force) برداشته می شود. قدرت جذب (Attraction) مگنت ها یا آهنرباها می تواند با استفاده از مواد همان ورق بیش از 50 درصد کاهش یابد. اگر در دو طرف مگنت خود لایه محافظتی از یک ماده دارید، هیچ ماده ای به مگنت شما جذب نمی شود.

به دلیل مشکلات ضخامت و پایداری، بهتر است زمانی که میدان مغناطیسی کمتر از 1 تسلا بر روی سطح مگنت است از ترکیبات مختلف فلز مو استفاده شود، اما زمانی که قدرت مغناطیسی از 1 تسلا به 4 تسلا افزایش یابد فلز مو ترجیح داده نمی شود. در این صورت برای محافظت بهتر است از مواد فرومغناطیسی یا دیامغناطیسی استفاده کرد در غیر اینصورت فلز مو بسیار قوی نیاز است که به طبع هزینه آن زیاد خواهد بود.

جدول زیر تاثیر شیلد مغناطیسی مواد مختلف قبل و بعد از گذاشتن شیلد مغناطیسی را نشان می دهد. هر یک از مواد تست شده در زیر جدول مشخص شده است.

                                                                مقایسه میدان های مغناطیسی مواد مختلف قبل و بعد از شیلد کردن

(Arrangement A= IRON+ TIN+ RUBBER (1 mm+1 mm+3 mm=5 mm

(Arrangement B= IRON+ SS+ TIN+ SS (1+1+1+1=4 mm

(Arrangement C= TIN+TIN+ RUBBER+TIN+TIN+RUBBER (1+3+1+3+1=9 mm

(Arrangement D= IRON+ SS+ TIN+ TIN+ RUBBER (1+1+1+3+. 5=6.5 mm

(Arrangement E= IRON+ IRON+ TIN+ SS+ TIN wrapped in aluminum tape. (1+1+1+1+1=5 mm

مقایسه انواع مختلف شیلد مغناطیسی

                                             مقایسه انواع شیلدهای مغناطیسی و تاثیر آن بر میدان مغناطیسی