자기장을 차단하는 것은 무엇입니까? 자기 차폐에 대한 완벽한 가이드

뮤메탈, 연철, 전기강판 등의 강자성 재료는 자기장을 차단하는 가장 효과적인 재료입니다. 이러한 물질은 자속이 보호 구역을 통과하도록 허용하지 않고 스스로 방향을 바꾸는 방식으로 작동합니다. 이 기사에서는 자기 차폐의 작동 방식, 어떤 재료가 가장 성능이 좋은지, 언제 다양한 접근 방식이 필요한지 설명하고 자기장 차단에 관해 사람들이 갖는 가장 일반적인 질문에 답합니다.

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자기 차폐 작동 방식

자기장은 빛이 불투명한 표면에 의해 차단되는 것처럼 단순히 "차단"될 수 없습니다. 대신 자기 차폐는 낮은 저항 경로를 제공함으로써 작동합니다. 낮은 자기저항 경로 — 필드 라인을 보호 지역에서 멀리 전환시킵니다. 실드 재료는 플럭스를 흡수하고 방향을 바꿔 실드 내부 또는 뒤의 필드 강도를 감소시킵니다.

차폐재의 효과는 다음과 같이 측정됩니다. 투자율 — 재료가 자기장 선을 얼마나 쉽게 통과할 수 있는지. 투자율이 높을수록 자속을 더 효율적으로 끌어당기고 전달하므로 차폐 성능이 향상됩니다.

근본적으로 다른 두 가지 유형의 자기장은 서로 다른 차폐 전략이 필요합니다.

• 정적(DC) 자기장 — 영구 자석과 지구의 지자기장에 의해 생성됩니다. 고투과성 강자성 금속으로 가장 잘 보호됩니다.
• 교류(에이C) 전자기장(EMF) - 전력선, 모터 및 전자 장치에 의해 생성됩니다. 변화하는 자기장에 반대하기 위해 와전류를 생성하는 전도성 물질이 필요합니다.

자기장을 차단하는 재료

1. 뮤메탈(니켈-철 합금)

뮤메탈(Mu-metal)은 다음과 같이 널리 알려져 있습니다. 정자기장 차단에 가장 적합한 소재 . 니켈 약 77%, 철 15%, 미량의 구리 및 몰리브덴으로 구성된 연자성 합금입니다. 상대 투자율은 100,000을 초과할 수 있습니다. 이는 자유 공간보다 최대 100,000배 더 쉽게 자속을 전달한다는 의미입니다.

Mu-metal은 민감한 전자 장비, MRI 기계, 과학 기기 및 오디오 변압기에 사용됩니다. 그러나 가격이 비싸고 기계적 응력이 투자율을 감소시키기 때문에 성형 후 조심스럽게 어닐링(열처리)해야 합니다. 또한 상대적으로 얇고 가벼워서 민감한 부품을 담는 데 실용적입니다.

2. 연철 및 저탄소강

연철과 저탄소강은 가장 비용 효율적인 강자성 차폐 재료입니다. 1,000~5,000 범위의 상대 투자율로 뮤메탈과 일치하지 않지만 훨씬 저렴하고 기계적으로 견고합니다. 이는 변압기, 모터 하우징 및 산업용 차폐 인클로저에 일반적으로 사용됩니다.

실드의 두께가 중요합니다. 연철이 두꺼울수록 감쇠가 더 강해집니다. 강철 인클로저는 정밀 응용 분야의 중요한 내부 레이어에 뮤메탈 라이닝을 추가하여 첫 번째 방어선으로 자주 사용됩니다.

3. 전기강판(규소강판)

전기강판 규소강이라고도 불리는 이 철합금은 규소 함량이 1~4.5%입니다. 실리콘은 전기 저항을 향상시키고(와전류로 인한 에너지 손실 감소) 특정 방향에서 투자율을 높입니다. 과도한 열 발생 없이 교류 자기장을 효율적으로 처리해야 하는 변압기 코어 및 전기 모터 적층의 표준 재료입니다.

4. 알루미늄 및 구리(AC/EMF 차폐용)

알루미늄과 구리는 비자성이지만 우수한 전기 전도체입니다. 에 대한 교류 자기장 및 전자기 간섭(EMI) , 이들 금속은 와전류 유도를 통해 차폐 기능을 제공합니다. 교류 자기장이 도체에 들어가면 반대 자기장을 생성하는 원형 전류가 유도되어 원래 자기장이 효과적으로 감쇠됩니다.

구리는 알루미늄보다 무겁고 비싸지만 전도성이 더 높습니다. 알루미늄은 더 가볍고 대형 차폐 인클로저에 선호되는 경우가 많습니다. 두 물질 모두 정자기장에 효과적이지 않습니다.

5. 페라이트 재료

페라이트는 산화철과 다른 금속 산화물(망간, 아연, 니켈 등)이 결합되어 만들어진 세라믹 화합물입니다. 페라이트는 높은 전기 저항 이는 와전류 손실로 인해 금속 차폐물이 과열되는 고주파수에서 특히 효과적입니다. 페라이트 비드, 코어 및 타일은 고주파 EMI 및 무선 주파수 간섭(RFI)을 억제하기 위해 전자 제품에 널리 사용됩니다.

6. 초전도체

극저온에서 초전도 물질은 마이스너 효과 — 내부에서 자기장을 완전히 방출하여 완벽한 자기 차폐를 생성합니다. 이는 고급 물리학 연구 및 양자 컴퓨팅 애플리케이션에 사용됩니다. 그러나 극저온 냉각에 대한 요구 사항으로 인해 초전도체는 일상적인 차폐에 실용적이지 않습니다.

자기 차폐 재료 비교

아래 표에서는 주요 성능과 실제 기준에 걸쳐 자기장 차단에 가장 일반적으로 사용되는 재료를 비교합니다.

자기장을 차단하지 않는 것은 무엇입니까?

많은 사람들은 일반적인 재료가 자기장에 대한 보호 기능을 거의 또는 전혀 제공하지 않는다는 사실에 놀랐습니다. 이러한 제한 사항을 이해하는 것은 적절한 차폐 설계에 중요합니다.

• 플라스틱 및 고무: 이러한 비전도성 물질은 모든 주파수의 자기장에 대해 완전히 투명합니다.
• 목재: 어떤 종류의 차폐 특성도 없습니다.
• 유리: 정적 자기장과 교류 자기장 모두에 대해 완전히 투명합니다.
• 리드: 방사선 차폐와 관련되어 있음에도 불구하고 납에는 특별한 자기 차폐 특성이 없습니다.
• 스테인리스강(오스테나이트): 일반적인 304 및 316 등급의 스테인리스강은 결정 구조로 인해 비자성이므로 자기 차폐 기능이 거의 없습니다. 페라이트 및 마르텐사이트 등급만이 자기적으로 유용합니다.
• 콘크리트 및 벽돌: 자기 차폐 효과가 없습니다.
• 물: 물은 반자성을 띠지만 그 정도는 매우 작습니다. 본질적으로 실질적인 차폐 효과는 없습니다.

자기 차폐의 일반적인 응용

의료 영상(MRI)

MRI 기계는 매우 강력한 자기장(1.5T~7T)을 생성합니다. 뮤메탈 및 기타 강자성 재료로 실내를 보호하면 자기장이 인근 전자 장비를 간섭하는 것을 방지하고 외부 강자성 물체가 기계 안으로 끌려들어가는 것을 방지할 수 있습니다. 이는 생명을 위협할 수 있습니다.

가전제품

스마트폰, 노트북, 오디오 장비에는 스피커, 모터, 무선 충전 코일의 자기장이 센서나 디스플레이 화면과 같은 다른 구성 요소를 방해하는 것을 방지하기 위해 얇은 뮤메탈 포일이나 페라이트 시트로 만들어지는 내부 자기 차폐층이 포함되어 있습니다.

전력 변압기 및 배전 장비

전기강판으로 제작된 변압기 코어는 교류 자속을 효율적으로 안내하고 포함하여 에너지 전달 효율을 최대화하고 표유 자기장을 최소화합니다. 배전 변압기 주변의 강철 인클로저는 외부 자기장 면적을 더욱 줄입니다.

군사 및 국방

해군 함정은 자기 신호를 줄이기 위해 자기 제거 시스템과 자기 차폐를 사용하므로 자기적으로 발사된 지뢰로 탐지하기가 더 어렵습니다. 민감한 온보드 전자 장치도 선박 자체의 대규모 자기 기반 시설로부터 보호됩니다.

과학 연구 장비

전자현미경, 자력계 및 입자 가속기 부품이 정확하게 작동하려면 주변 자기장(지구 자기장 포함)으로부터 보호되어야 합니다. 다층 뮤메탈 인클로저는 이러한 애플리케이션에서 내부 필드를 거의 0으로 줄일 수 있습니다.

무선 충전 및 결제 카드

얇은 페라이트 시트는 휴대폰과 스마트워치의 무선 충전 코일 뒤에 배치되어 교번 자기장이 금속 장치 부품을 가열하는 것을 방지하고 결합 효율을 향상시킵니다. 자기 띠가 있는 신용 카드에는 유사한 얇은 차폐층이 포함되어 있습니다.

정적 자기 차폐와 EMF 차폐: 주요 차이점

올바른 차폐 방식을 선택하려면 정자기장을 처리하는지 아니면 시간에 따라 변하는 전자기장을 처리하는지 이해해야 합니다. 아래 표에는 주요 차이점이 요약되어 있습니다.

피부 깊이 개념

AC 자기장의 경우 피부 깊이 중요한 설계 매개변수입니다. 이는 교번 전자기장이 표면 값의 1/e(~37%)로 감쇠되기 전에 도체에 얼마나 깊이 침투하는지를 설명합니다. 주파수가 높을수록 표피 깊이가 ​​감소합니다. 즉, 더 얇은 실드가 효과적이라는 의미입니다. 낮은 주파수(예: 50~60Hz 전력선 주파수)에서는 표피 깊이가 ​​넓어 효과적인 차폐를 위해 더 두껍거나 더 많은 전도성 재료가 필요합니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

결론

어떤 자기장이 차단되는지 이해하려면 다루고 있는 자기장의 유형을 알아야 합니다. 정자기장의 경우 투자율이 높은 강자성 재료, 특히 뮤메탈, 연철, 전기강판이 최선의 선택입니다. 교류 전자기장 및 EMI의 경우 구리 및 알루미늄과 같은 전도성 재료와 페라이트 복합재는 와전류 메커니즘을 통해 효과적인 차폐 기능을 제공합니다.

모든 상황에서 완벽하게 작동하는 단일 재료는 없습니다. 최고의 자기 차폐 솔루션은 특정 자기장 유형, 주파수 범위, 자기장 강도 및 애플리케이션의 기하학적 요구 사항에 맞게 설계되었습니다. 까다로운 응용 분야에서는 다양한 재료의 여러 레이어가 결합되어 광범위한 필드 유형 및 주파수에 걸쳐 필요한 감쇠를 달성합니다.

주요 실제 사항: 사용 정밀한 정전기 차폐를 위한 mu-metal , 변압기 및 모터 차폐용 전기강판 , AC 및 RF 인클로저용 구리 또는 알루미늄 , 그리고 고주파 EMI 억제를 위한 페라이트 . 플라스틱, 콘크리트, 유리와 같은 일반적인 재료가 보호 기능을 제공한다고 가정하지 마십시오. 그렇지 않습니다.