Wirbelströme
Schirmungen
Schirmungs-Prinzip
Das Schirm-Prinzip gegen wechselnde Magnetfelder beruht auf der Erzeugung von Wirbelströmen
Versucht ein Magnetfeld (= H-Feld) in eine elektrisch leitfähige, geschlossene Schirm-Hülle einzudringen, induziert es dabei in dem schirmenden Material Wirbelströme. Diese Wirbelströme wiederum, erzeugen ein sekundäres Magnetfeld, das dem primären, eindringenden Magnetfeld entgegen gerichtet ist.
Wenn die Schirmung allseitig geschlossen ist, können die Wirbelströme ungehindert in jeder Richtung fließen – und so Magnetfelder aus jeder beliebigen Richtung abschirmen. Umgekehrt – wenn Öffnungen oder Schlitze die Wirbelströme zu Umwegen zwingen oder die Strombahn sogar gänzlich durchbrechen, dann wird die Wirkung der Schirmung eingeschränkt oder sogar völlig aufgehoben.
Je besser die Leitfähigkeit der Schirmung ist, desto weniger Widerstand bremst den Fluss der Wirbelströme – und desto besser können sie das Magnetfeld im Inneren der Schirmung auslöschen.
Bei einem ideal leitfähigen Schirm wird das von den Wirbelströmen erzeugte sekundäre Magnetfeld genau entgegengesetzt gleich groß, wie das primäre, erregende Magnetfeld ==> beide Magnetfelder löschen sich vollkommen aus, das Innere der Schirmung ist feldfrei.
Die Schirmdämpfung ist von außen nach innen und von innen nach außen gleich - wenn die gleiche Messanordnung verwendet wird.
Gegen statische Magnetfelder funktioniert das Wirbelstrom-Prinzip nicht – wenn sich nichts verändert, wird auch kein Wirbelstrom induziert – es sei denn, die Leitfähigkeit ist unendlich groß, bzw. der Widerstand = 0 (wie bei Supra-Leitern). Dann wird auch das Eindringen von statischen Magnetfeldern verhindert (was ja auch eine, wenn auch sehr langsame, Magnetfeld-Änderung darstellt).
Schirmdämpfung gegen homogenes Magnetfeld für ein Gehäuse aus 5 mm AlMgSi (100 x 300 x 300)
Im Diagramm ist der Verlauf der Schirmdämpfung von 1 Hz bis 1 MHz zu sehen
(ohne Berücksichtigung von Übergangswiderständen zwischen Gehäuse-Teilen)
Ohne Skin-Effekt (rote Kurve) würde sich die Dämpfung mit steigender Frequenz um 20 dB pro Dekade erhöhen.
Durch den Skin-Effekt, der für diese Konfiguration etwa ab 500 Hz einsetzt, ergibt sich mit steigender Frequenz eine immer stärker ansteigende Dämpfung (blaue Kurve). Der selbe Effekt, der hochfrequenten Strom auf die Außenseite von Leitungen treibt – und damit die Entwickler von HF-Trafos nicht selten zur Verzweiflung – kommt uns hier als willkommene Dämpfungserhöhung zu Hilfe. Da es nicht unbedingt so anschaulich ist, wie die auf der Innenseite reduzierten Ströme beim Kompensieren der Magnetfelder helfen, kann man sich den Effekt alternativ auch als scheinbare Erhöhung der Wandstärke vorstellen – und damit eine analoge scheinbare Erhöhung der Leitfähigkeit, die entsprechend die Dämpfung erhöht. (Gibt man diese scheinbare Wandstärke in die Berechnung ohne Skin-Effekt, erhält man für die jeweilige Frequenz den gleichen Wert, wie mit der originalen Wandstärke mit Skin-Effekt.)
Umgekehrt nimmt die Dämpfung mit fallender Frequenz stetig ab – bis zur völligen Wirkungslosigkeit. Gegen sehr niederfrequente Magnetfelder ist die Wirkung des Alu-Schirms stark eingeschränkt, gegen magnetisches Gleichfeld ist er ohne jede Wirkung.
Näherungsweise berechnen lässt sich die Schirmdämpfung nach der folgenden Formel:
mit
A als vom Schirm eingeschlossene Fläche
l als Weglänge der Wirbelstrom-Bahn
µ als µ0 • µr
µ0 als magnetische Feldkonstante µ0 = 4 π • 10^-7 N/A²
µr als relative Permeabilität
ω als 2 π f f als Frequenz in Hz
j als √ -1
Z_kges als der komplexe Gesamtwiderstand der Wirbelstrom-Bahn
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