磁場を遮断するものは何ですか?磁気シールドの完全ガイド

ミューメタル、軟鉄、電磁鋼などの強磁性材料は、磁場を遮断する最も効果的な材料です。 これらの材料は、磁束を保護領域に通過させるのではなく、磁束自体の方向を変えることによって機能します。この記事では、磁気シールドがどのように機能するか、どの材料が最も優れた性能を発揮するか、さまざまなアプローチが必要な場合について正確に説明し、磁場の遮断に関して人々が抱く最も一般的な質問に答えます。

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磁気シールドの仕組み

光が不透明な表面によって遮断されるように、磁場は単純に「遮断」することはできません。代わりに、磁気シールドは、低抵抗パスとして知られる経路を提供することによって機能します。 低磁気抵抗パス — 磁力線を保護領域からそらします。シールド材料は磁束を吸収して方向を変え、シールドの内側または後ろの場の強度を低下させます。

シールド材の有効性は、その材質によって測定されます。 透磁率 — 材料が磁力線をどれだけ容易に通過できるか。透磁率が高いほど、より効率的に磁束を引き付けて流すことができるため、シールドがより良くなります。

2 つの根本的に異なるタイプの磁場には、異なるシールド戦略が必要です。

• 静的 (DC) 磁場 — 永久磁石と地球の地磁気によって生成されます。高透磁率の強磁性金属でシールドするのが最適です。
• 交流 (あC) 電磁界 (EMF) — 送電線、モーター、電子機器によって生成されます。変化する磁場に対抗するには、渦電流を生成する導電性材料が必要です。

磁場を遮断する材料

1.ミューメタル（ニッケル鉄合金）

ミューメタルは、 静磁場を遮断するのに最適な素材 。これは、約 77% のニッケル、15% の鉄、および微量の銅とモリブデンで構成される軟磁性合金です。その比透磁率は 100、000 を超えることがあります。つまり、自由空間よりも最大 100、000 倍容易に磁束を流すことができます。

Mu-metal は、精密な電子機器、MRI 装置、科学機器、オーディオ変圧器に使用されています。ただし、高価であり、機械的応力により透過性が低下するため、成形後に慎重にアニール (熱処理) する必要があります。また、比較的薄くて軽量であるため、敏感なコンポーネントを囲むのに実用的です。

2. 軟鉄・低炭素鋼

軟鉄と低炭素鋼は、最もコスト効率の高い強磁性シールド材料です。比透磁率は 1,000 ～ 5,000 の範囲にあり、ミューメタルには及びませんが、はるかに安価で機械的に堅牢です。これらは変圧器、モーターハウジング、産業用シールドエンクロージャで一般的に使用されています。

シールドの厚さが重要です。厚い軟鉄はより強い減衰をもたらします。スチール製のエンクロージャは防御の第一線としてよく使用され、精密用途における重要な内層にミューメタルのライニングが追加されています。

3. 電磁鋼板（ケイ素鋼）

電磁鋼板 ケイ素鋼とも呼ばれる、ケイ素含有量が 1 ～ 4.5% の鉄合金です。シリコンは電気抵抗を改善し (渦電流によるエネルギー損失を低減)、特定の方向での透磁率を高めます。これは、過度の熱を発生させることなく交流磁場を効率的に処理する必要がある、変圧器コアおよび電気モーター積層板の標準的な材料です。

4. アルミニウムと銅 (AC/EMF シールド用)

アルミニウムと銅は非磁性ですが、優れた電気伝導体です。のために 交流磁場と電磁干渉 (EMI) 、これらの金属は渦電流の誘導を通じてシールドを提供します。交流磁場が導体に入ると、循環電流が誘導されて反対の磁場が発生し、元の磁場が効果的に減衰します。

銅はアルミニウムよりも重く、高価ですが、より高い導電性を備えています。アルミニウムは軽量であり、多くの場合、大型のシールドエンクロージャに好まれます。どちらの材料も静磁場に対しては効果がありません。

5. フェライト材料

フェライトは、酸化鉄と他の金属酸化物 (マンガン、亜鉛、ニッケルなど) を組み合わせて作られたセラミック化合物です。フェライトには、 高い電気抵抗 そのため、渦電流損失により金属シールドが過熱する高周波で特に効果的です。フェライト ビーズ、コア、タイルは、高周波 EMI および無線周波数干渉 (RFI) を抑制するためにエレクトロニクス分野で広く使用されています。

6. 超電導体

極度の低温では、超電導材料は次のような特性を示します。 マイスナー効果 — 内部から磁場を完全に排除し、完璧な磁気シールドを作り出します。これは、高度な物理研究や量子コンピューティング アプリケーションで使用されます。しかし、極低温冷却の要件により、超電導体は日常のシールドには実用的ではありません。

磁気シールド材の比較

以下の表は、磁場を遮断するために最も一般的に使用される材料を主要な性能と実用的な基準にわたって比較しています。

磁場を遮断しないものは何ですか?

多くの人は、一般的な材料が磁場に対する保護をほとんどまたはまったく提供しないことを知って驚きます。これらの制限を理解することは、適切なシールド設計にとって非常に重要です。

• プラスチックとゴム: これらの非導電性材料は、あらゆる周波数の磁場に対して完全に透明です。
• 木材: いかなる種類の遮蔽特性もありません。
• ガラス: 静磁場と交流磁場の両方に対して完全に透明です。
• リード: 鉛は放射線シールドに関連しているにもかかわらず、特別な磁気シールド特性を持っていません。
• ステンレス鋼（オーステナイト系）： 一般的な 304 および 316 グレードのステンレス鋼は、その結晶構造により非磁性であり、磁気シールドはほとんどありません。フェライト系およびマルテンサイト系グレードのみが磁気的に有用です。
• コンクリートとレンガ: 磁気シールド効果はありません。
• 水: 水は反磁性がありますが、その程度はごくわずかであり、実質的に実質的なシールド効果はありません。

磁気シールドの一般的な用途

医用画像処理 (MRI)

MRI 装置は非常に強力な磁場 (1.5T ～ 7T) を生成します。ミューメタルやその他の強磁性体で部屋をシールドすると、フィールドが近くの電子機器に干渉するのを防ぎ、生命を脅かす可能性がある外部の強磁性物体が機械に引き込まれるのを防ぎます。

家庭用電化製品

スマートフォン、ラップトップ、およびオーディオ機器には、スピーカー、モーター、ワイヤレス充電コイルの磁場がセンサーやディスプレイ画面などの他のコンポーネントに干渉するのを防ぐために、内部磁気シールド層 (多くの場合、薄いミューメタル箔またはフェライトシートで作られています) が組み込まれています。

変圧器および配電機器

電磁鋼板で作られた変圧器コアは、交流磁束を効率的に誘導して閉じ込め、エネルギー伝達効率を最大化し、漂遊磁界を最小限に抑えます。配電変圧器の周りのスチール製エンクロージャにより、外部磁場のフットプリントがさらに削減されます。

軍事と防衛

海軍艦艇は消磁システムと磁気シールドを使用して磁気痕跡を軽減し、磁気で誘発される機雷によって探知されにくくしています。機密性の高い搭載電子機器も、船自体の大規模な磁気インフラストラクチャから保護されています。

科学研究機器

電子顕微鏡、磁力計、および粒子加速器コンポーネントが正確に機能するには、周囲の磁場 (地球の磁場を含む) からシールドされている必要があります。多層ミューメタルエンクロージャは、このような用途において内部磁場をほぼゼロに減らすことができます。

ワイヤレス充電および支払いカード

薄いフェライト シートは、携帯電話やスマートウォッチのワイヤレス充電コイルの後ろに配置され、交流磁場による金属デバイス コンポーネントの加熱を防ぎ、結合効率を向上させます。磁気ストライプのあるクレジット カードには、同様の薄いシールド層が含まれています。

静磁気シールドと EMF シールド: 主な違い

適切なシールド手法を選択するには、静磁場と時間変化する電磁場のどちらを扱っているかを理解する必要があります。以下の表は、主な違いをまとめたものです。

表皮深さの概念

AC 磁界の場合、 皮膚の深さ は重要な設計パラメータです。交流電磁場が表面値の 1/e (約 37%) に減衰する前に、導体にどの程度深く浸透するかを表します。より高い周波数では、表皮深さが減少します。つまり、より薄いシールドが効果的になります。より低い周波数（50 ～ 60 Hz の電力線周波数など）では、表皮深さが大きくなり、効果的なシールドにはより厚い、またはより導電性の材料が必要になります。

よくある質問 (FAQ)

結論

磁場をブロックするものを理解するには、扱っている磁場の種類を知る必要があります。 静磁場に対しては、透磁率の高い強磁性材料、特にミューメタル、軟鉄、電磁鋼板が最適です。 交流電磁界と EMI に対しては、銅やアルミニウムなどの導電性材料、およびフェライト複合材料が渦電流機構を通じて効果的なシールドを提供します。

すべての状況で完璧に機能する単一の素材はありません。最適な磁気シールド ソリューションは、アプリケーションの特定の磁場の種類、周波数範囲、磁場の強度、幾何学的な要件に合わせて設計されています。要求の厳しいアプリケーションでは、さまざまな材料の複数の層を組み合わせて、幅広いフィールドタイプと周波数にわたって必要な減衰を実現します。

実用的な重要なポイント: を使用する 精密静電気シールド用のミューメタル , 変圧器およびモーターのシールド用電磁鋼板 , ACおよびRFエンクロージャ用の銅またはアルミニウム 、そして 高周波EMI抑制用フェライト 。プラスチック、コンクリート、ガラスなどの一般的な素材が何らかの保護を提供すると仮定することは避けてください。保護はありません。