विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण

This article is about परिरक्षण पदार्थ. For परमाणु प्रभाव, see परिरक्षण प्रभाव.

विसमन्वायोजन किए गए चल दूरभाष के भीतर विद्युत चुंबकीय परिरक्षण पंजर।

विद्युत अभियन्त्रण में, विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण विद्युत प्रवाहकीय या चुंबकत्व पदार्थ से बने अवरोधों के साथ स्थान में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (ईएमएफ) को कम करने या अवरुद्ध करने का परीक्षण है। यह सामान्यतः अंतःक्षेत्र पर लागू होता है, विदयुत के उपकरणों को उनके समीप से अलग करने के लिए, और विदयुत तार को पर्यावरण से तारों को अलग करने के लिए जिसके माध्यम से तार चलता है (परिरक्षित केबल देखें)। विद्युत चुंबकीय परिरक्षण जो रेडियो आवृत्ति (आरएफ) विद्युतचुंबकीय विकिरण को बाधित करती है, उसे आरएफ परिरक्षण के रूप में भी जाना जाता है।

ईएमएफ परिरक्षण विद्युत चुम्बकीय व्यतिकरण को कम करने का कार्य करता है। परिरक्षण रेडियो तरंगों, विद्युत चुम्बकीय विकिरणों और स्थिरवैद्युत क्षेत्रों के युग्मन (इलेक्ट्रॉनिक्स) को कम कर सकती है। स्थिरवैद्युत क्षेत्रों को अवरुद्ध करने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रवाहकीय अंतःक्षेत्र को 'फैराडे पंजर' के रूप में भी जाना जाता है। कमी की मात्रा उपयोग किए गए पदार्थ, उसकी मोटाई, परिरक्षित आयतन के आकार और ब्याज के क्षेत्रों की आवृत्ति और एक घटना विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में परिरक्षक में छिद्रों के आकार, आकार और अभिविन्यास पर बहुत अधिक निर्भर करती है।

प्रयुक्त पदार्थ

विद्युत चुंबकीय परिरक्षण के लिए उपयोग की जाने वाली विशिष्ट पदार्थों में धातु की चादर, धातु स्क्रीन और धातु फेन सम्मिलित हैं। परिरक्षण के लिए सामान्य चादर धातुओं में तांबा, पीतल, निकल, चांदी, स्टील और टिन सम्मिलित हैं। परिरक्षण प्रभावशीलता, अर्थात्, परिरक्षक कितना ठीक रूप विद्युत चुम्बकीय विकिरण को प्रतिबिंबित या अवशोषित/अवरोध करती है, धातु के भौतिक गुणों से प्रभावित होती है। इनमें चालकता, सोल्डरनीयता, पारगम्यता, मोटाई और भार सम्मिलित हो सकते हैं। पदार्थ 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/निरुद्ध की जाती हैं। इसके अतिरिक्त, परिरक्षक या जालक में कोई भी छिद्र विकिरण के तरंग दैर्ध्य की तुलना में अत्यधिक छोटे होने चाहिए, या संलग्नक प्रभावी रूप से एक अखंड संवाहक सतह का अनुमान नहीं लगाएगा।

अन्य सामान्यतः उपयोग की जाने वाली परिरक्षण विधि, विशेष रूप से प्लास्टिक के अंतःक्षेत्र में रखे इलेक्ट्रॉनिक सामानों के साथ, धातु की स्याही या इसी प्रकार की पदार्थ के साथ अंतःक्षेत्र के भीतर की परत लगाना है। स्याही में बहुत छोटे कणों के रूप में उपयुक्त धातु, सामान्यतः तांबा या निकल के साथ भरे हुए वाहक पदार्थ होते है। यह अंतःक्षेत्र पर छिड़का जाता है और एक बार शुष्क हो जाने पर, धातु की सतत प्रवाहकीय परत का उत्पादन करते है, जिसे उपकरण के न्याधार आधार से विद्युत रूप से जोड़ा जा सकता है, इस प्रकार प्रभावी परिरक्षण प्रदान करते है।

विद्युतचुंबकीय परिरक्षण क्षेत्र में प्रवाहकीय या चुंबकीय पदार्थ के साथ मोर्चासंवृती करके विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को कम करने की प्रक्रिया है। ताँबा का उपयोग रेडियो आवृत्ति (आरएफ) परिरक्षण के लिए किया जाता है क्योंकि यह रेडियो तरंग और अन्य विद्युत चुम्बकीय तरंगों को अवशोषित करते है। उचित रूप से डिजाइन और निर्मित रेडियो आवृत्ति परिरक्षण कंप्यूटर और विद्युत स्विचन कक्ष से लेकर अस्पताल कैट स्कैन और एमआरआई सुविधाओं तक, अधिकांश आरएफ परिरक्षण आवश्यकताओं को पूर्ण करते है।

ईएमआई (विद्युत चुम्बकीय व्यतिकरण) परिरक्षण प्रमुख अनुसंधान रुचि का है और अधिक कुशल आरएफ/माइक्रोवेव-अवशोषित पदार्थ (एमएएम) प्राप्त करने के लिए फेराइट, बहुलक और 2डी पदार्थ से बने कई नवीन प्रकार के नैनोसंयोजन विकसित किए जा रहे हैं।

अनुप्रयोगों का उदाहरण

परिरक्षण और अन्य परतों को दिखाते हुए एक समाक्षीय तार के माध्यम से अनुप्रस्थ काट

एक उदाहरण परिरक्षित तार है, जिसमें आंतरिक क्रोड़ चालन के चारों ओर तार की जाल के रूप में विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण होता है। परिरक्षण क्रोड़ चालन से किसी भी संकेत को निकलने से रोकता है, और संकेत को क्रोड़ चालन में जोड़े जाने से भी रोकते है।

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

माइक्रोवेव ओवन के द्वार की गवाक्ष 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 फैराडे पंजर को पूर्ण करती है। 400 एनवीनम और 700 एनवीनम के बीच तरंग दैर्ध्य के साथ दृश्यमान प्रकाश, सरलता से स्क्रीन छिद्र के माध्यम से गुजरते है।

आरएफ परिरक्षण का उपयोग बायोमेट्रिक पासपोर्ट जैसे विभिन्न उपकरणों में अंत: स्थापित आरएफआईडी चिप पर संग्रहीत डेटा तक पहुंच को रोकने के लिए भी किया जाता है।

नाटो कीबोर्ड उत्सर्जन की निष्क्रिय देख रेख को रोकने के लिए कंप्यूटर और कीबोर्ड के लिए विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण को निर्दिष्ट करते है जो पासवर्ड को अधिकृत करने की अनुमति देगा; मुख्य रूप से निषेधात्मक लागत के कारण उपभोक्ता कीबोर्ड इस सुरक्षा की प्रस्तुत नहीं करते हैं।

आरएफ परिरक्षण का उपयोग एएम, एफएम, टीवी, आपातकालीन सेवाओं, प्रेषण, पेजर्स, ईएसएमआर, सेलुलर और पीसीएस सहित व्यतिकरण 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 अन्य उदाहरण रक्षा अनुप्रयोग होगा। जैसे-जैसे तकनीक में सुधार होता है, वैसे-वैसे विभिन्न प्रकार के कुटिल विद्युत चुम्बकीय व्यतिकरण की संवेदनशीलता भी बढ़ती है। एक भूसंपर्कित चालकीय अवरोध के भीतर तार को घेरने का विचार इन आपत्तिपूर्ण को कम कर सकते है।

यह कैसे कार्य करता है

विद्युत चुम्बकीय विकिरण में युग्मित विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र होते हैं। विद्युत क्षेत्र चालक के भीतर विद्युत आवेश वाहकों (अर्थात, इलेक्ट्रॉनों) पर बल उत्पन्न करते है। जैसे ही एक आदर्श चालन की सतह पर एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, यह एड़ी प्रवाह (विदयुत) को प्रेरित करता है जो चालन के भीतर आवेश के विस्थापन का कारण बनते है जो भीतर लागू क्षेत्र को निरस्त कर देते है, जिस बिंदु पर प्रवाह रुक जाता है। अधिक व्याख्या के लिए फैराडे पंजर देखें।

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

वास्तविक आरएफ परिरक्षकों की परिरक्षण क्षमता को सीमित करने के लिए कई कारक कार्य करते हैं। एक यह है कि चालक के विद्युत प्रतिरोध के कारण उत्तेजित क्षेत्र घटना क्षेत्र को पूर्ण रूप से निरस्त नहीं करते है। इसके अतिरिक्त, अधिकांश चालन कम आवृत्ति वाले चुंबकीय क्षेत्रों के लिए लोह चुंबकत्व प्रतिक्रिया प्रदर्शित करते हैं, ताकि ऐसे क्षेत्र चालन द्वारा पूर्ण रूप से क्षीण न हों। परिरक्षक में कोई भी छिद्र प्रवाह को अपने चारों ओर प्रवाहित करने के लिए विवश करते है, ताकि छिद्रों से गुजरने वाले क्षेत्र विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का विरोध करने के लिए उत्तेजित न हों। ये प्रभाव परिरक्षक की क्षेत्र-परावर्तक क्षमता को कम करते हैं।

उच्च-आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय विकिरण की स्थिति 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 स्थिति में भीतर कोई विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र भी नहीं है। यह बड़ी घटना का एक रूप है जिसे त्वाचिक प्रभाव कहा जाता है। जिस गहराई तक विकिरण परिरक्षक में प्रवेश कर सकता है उसका एक उपाय तथाकथित त्वचा गहराई है।

चुंबकीय परिरक्षण

उपकरण को कभी-कभी बाह्यी चुंबकीय क्षेत्र से पृथक्करण की आवश्यकता होती है। स्थिर या धीरे-धीरे बदलते चुंबकीय क्षेत्र (लगभग 100 kHz से निम्न) के लिए ऊपर वर्णित फैराडे परिरक्षण अप्रभावी है। इन स्थितियों में उच्च चुंबकीय पारगम्यता धातु मिश्र धातुओं से बने परिरक्षक का उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि परमेलाय और धातु की चादरें या नैनोक्रिस्टलीय रेणु संरचना लोह चुंबकीय धातु विलेपन के साथ। ये पदार्थ विद्युत परिरक्षण के जैसे 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 परिरक्षक के लिए सबसे ठीक आकार इस प्रकार परिरक्षित आयतन के समीप एक संवृत पात्र है। इस प्रकार के परिरक्षण की प्रभावशीलता पदार्थ की पारगम्यता पर निर्भर करती है, जो सामान्यतः बहुत कम चुंबकीय क्षेत्र की दृढ़ता और उच्च क्षेत्र की दृढ़ता दोनों पर गिरती है जहां पदार्थ चुंबकीय संतृप्ति बन जाती है। इसलिए, कम अवशिष्ट क्षेत्रों को प्राप्त करने के लिए, चुंबकीय परिरक्षक में प्रायः कई अंतःक्षेत्र होते हैं, एक दूसरे के भीतर, जिनमें से प्रत्येक क्रमिक रूप से इसके भीतर के क्षेत्र को कम करते है। परिरक्षण सतहों के भीतर प्रवेश छिद्र उनके निष्पादन को अत्यधिक 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 क्षेत्र आयतन के भीतर परिवेशी क्षेत्र को निरस्त कर देते है। सोलनॉइड और हेल्महोल्ट्ज़ कुण्डली के प्रकार हैं जिनका उपयोग इस उद्देश्य के लिए किया जा सकता है, साथ ही अधिक जटिल तार प्रतिरूप को अनुकूलित विधियों का उपयोग करके डिज़ाइन किया गया है, जो चुंबकीय अनुनाद प्रतिबिंबन के लिए कुण्डली डिज़ाइन में उपयोग किए जाते हैं। सक्रिय परिरक्षक को निष्क्रिय परिरक्षक के साथ विद्युत चुम्बकीय युग्मन के लिए भी डिज़ाइन किया जा सकता है, संकर परिरक्षण के रूप में जाना जाता है, ताकि निष्क्रिय परिरक्षक से विस्तृत बैंड परिरक्षण हो और सक्रिय प्रणाली का उपयोग करके विशिष्ट घटकों का अतिरिक्त निरस्तीकरण हो।

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

गणितीय मॉडल

मान लीजिए कि हमारे समीप आंतरिक त्रिज्या थ $a$ और बाह्यी त्रिज्या $b$ सापेक्ष चुंबकीय पारगम्यता के साथ सापेक्ष पारगम्यता $\mu _{\text{r}}$ के साथ (रैखिक और समदैशिक) प्रति-चुंबकीय पदार्थ का एक गोलीय कोश है। फिर हम इस वस्तु को 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 पदार्थ की सीमाओं पर संभावित बाध्य धाराओं को छोड़कर कोई धाराएँ नहीं हैं, तो हम चुंबकीय अदिश क्षमता को परिभाषित कर सकते हैं जो लाप्लास के समीकरण को संतुष्ट करती है:

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

जहाँ

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

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

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

सीमाओं पर सीमा स्थितियों

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

का मिलान करने के बाद (जहाँ ${\hat {n}}$ एक इकाई सदिश है जो पृष्ठ 1 से पार्श्व 2 की ओर संकेत करते हुए सामान्य है), हम पाते हैं कि गोलीय कोश में गुहा के भीतर चुंबकीय क्षेत्र है:

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

जहाँ $\eta$ एक क्षीणन गुणांक है जो प्रतिचुंबकीय पदार्थ की मोटाई और पदार्थ 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 बाह्यी चुंबकीय क्षेत्र को उस गुहा से बचाने में इस पदार्थ की प्रभावशीलता का वर्णन करता है जो इसे घेरता है। ध्यान दें कि यह गुणांक उचित रूप से $\mu _{\text{r}}\to 1$ की सीमा में 1 (कोई परिरक्षण नहीं) जाता है। इस सीमा में $\mu _{\text{r}}\to \infty$ यह गुणांक 0 (पूर्ण परिरक्षण) पर जाता है। जब $\mu _{\text{r}}\gg 1$, 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 $\mu _{\text{r}}^{-1}$के जैसे घटता है।

यह भी देखें

• विद्युतचुंबकीय विकिरण
• विद्युत चुम्बकीय विकिरण और स्वास्थ्य
• विकिरण
• आयनकारी विकिरण सुरक्षा
• Mu-धातु
• एमआरआई आरएफ परिरक्षण
• परमेलाय
• विद्युत क्षेत्र अनुवीक्षण
• फैराडे पिंजर
• ऐनाकोइक कक्ष
• प्लाज्मा गवाक्ष

बाह्यी 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