閃電脈沖磁場環(huán)境的模擬

1、閃電脈沖磁場環(huán)境的模擬        摘要：基于基爾霍夫定律和需要模擬的閃電磁場，計算了螺多管線圈的參數(shù)，制作了一個脈沖線圈對雷電脈沖磁場進(jìn)行模擬；并根據(jù)電磁感應(yīng)定律繞制了一個小的探測點(diǎn)線圈，對脈沖圈的磁場環(huán)境進(jìn)行了測量。表明脈沖線圈內(nèi)的磁場參數(shù)與理論計算基本吻合，且能夠在大線圈內(nèi)提供一定的均勻場環(huán)境，以對敏感器件進(jìn)行電磁效應(yīng)試驗(yàn)。    關(guān)鍵詞：螺線管線圈 雷電電磁脈沖（LEMP） 點(diǎn)線圈閃電是一種強(qiáng)烈的瞬時放電現(xiàn)象，發(fā)生頻率很高，全球每秒約發(fā)生1000次。在發(fā)生閃擊時，閃電通道中會有高達(dá)幾百

2、萬V的脈沖電壓、幾萬A的脈沖電流，電流上升率會達(dá)到幾萬A/s，所以在閃電通道周圍的空間會產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電電磁脈沖（LEMP）1。隨著微電子技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，LEMP對各種含有微電子器件的電子產(chǎn)品和電氣產(chǎn)品的威脅越來越嚴(yán)重，對人類造成的損失逐年增加，對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。所以，模擬閃電的脈沖磁場環(huán)境，對敏感器件進(jìn)行LEMP的敏感度試驗(yàn)，顯得非常有意義23。1 脈沖磁場的模擬在模擬脈沖磁場時，采用了向細(xì)銅絲繞制的螺線管注入浪涌電流的方法。浪涌電流由一臺日本生產(chǎn)的三基雷擊浪涌發(fā)生器產(chǎn)生，該發(fā)生器可以由不同的電容組合產(chǎn)生不同的浪涌波形。選擇模擬8/20s的雷電流波形4。在注入浪涌電流后

3、，忽略螺線管線圈的電容效應(yīng)，其等效電路如圖1所示。線圈電感為：L=0N2D2/H     （1）電阻為：R=2DN/d 2     (2)其中，D為線圈直徑，H是線圈長度，d為銅線的半徑，是其電阻率（對于銅線而言，為1.6×10-8/m），N為線圈匝數(shù)。注入浪涌電流后，線圈上的電路方程為：（4）式中，表示的電壓為加到線圈兩端的電壓。把（4）式帶入（3）式得到新開浪涌注入后線圈中的電流：要讓線圈上的電流與在線圈上所加的雷電波波形一致，那么得讓第三項(xiàng)為0或者比較小。這有兩種途徑，一是讓我第三項(xiàng)的指數(shù)項(xiàng)為0，二

4、是讓其系數(shù)為0。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)R/L=(2DN/d2)/（0N2D2/H）=2H/(0d2ND)>> >時，則第三項(xiàng)的指數(shù)項(xiàng)比前兩項(xiàng)小得多，基本可以忽略；與此同時，第三項(xiàng)的系數(shù)也接近為0。的怪（5）式中只有第一項(xiàng)和第二項(xiàng)起作用，由此可見，回路電流也大對致為與所加電壓波接近的雙指數(shù)函數(shù)，其峰值在：在忽略第三項(xiàng)之后，電流可以近似為：i(t)=x1·e-t-e-t     (7)其中，x1x2（0）/R所以回路電流為：而無限長螺線管內(nèi)的磁場與電流關(guān)系為：H=nI=n(0)/R     (9)即：=

5、HR/n     （10）其中，n為螺線管單位長度上的線圈匝數(shù)。所以根據(jù)計算得出的某處磁場的強(qiáng)度就可以近似地知道所要加到線圈上的電壓。根據(jù)對不同情況下的閃電電磁場的計算，繞制了長50cm、匝數(shù)為10、直徑為30cm的脈沖線圈。2 脈沖磁場的測量通過理論對線圈的參數(shù)和磁場波形進(jìn)行了推導(dǎo)，但是還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來測量脈沖線圈內(nèi)的磁場。電磁感應(yīng)法是以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的一種經(jīng)典磁場測量方法5。當(dāng)把匝數(shù)為N、截面積為S的圓柱形探測線圈放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的被測磁場中時，如果采取某種方法使線圈中所耦合的磁通發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，就會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。即

6、：眾所周知，由探測線圈所測定的磁感應(yīng)強(qiáng)度，一般是線圈內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度。為減少被測場的不均勻性所造成的誤差，應(yīng)該選取截面積小、長度短的“點(diǎn)”狀探測線圈。球型測線圈是一種理想的“點(diǎn)”線圈，但是由于其制工藝復(fù)雜，所以很少推廣使用。一般都采用按一定幾何尺寸設(shè)計的簡單圓柱形探測線圈。雖然這種圓柱線圈已經(jīng)失去“點(diǎn)”線圈的意義，但是對于一般情況，是可以足夠接近“點(diǎn)”線圈的。圓柱形“點(diǎn)”線圈滿足的幾何尺寸條件為6：式中，D1是線圈內(nèi)徑，D2是線圈外徑，l是線圈長度，沿磁感應(yīng)強(qiáng)度方向。如果線圈內(nèi)徑很小，則（12）式可以寫為：如果為薄層線圈，即D1D2D0時，（12）式可以寫為：探測線圈的NS乘積是一個常數(shù)，稱

7、為線圈常數(shù)，用計算法確定線圈常數(shù)時，可以按照下式計算：其中，d為線圈繞組導(dǎo)線的直徑（包括絕緣層）。只要測量出感應(yīng)電動勢對時間的積分量，就可以求出磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的變化量：根據(jù)探測線圈相對于被測磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系，電磁感應(yīng)法可分為：固定線圈法、旋轉(zhuǎn)線圈法、拋移線圈法和振動線圈法。我們選擇固定線圈法來測量。用自制單層圓柱形探測線圈對脈沖線圈產(chǎn)生的磁場進(jìn)行測量。探測小線圈的直徑為1.6cm，匝數(shù)為8，小線圈的銅線直徑為0.2mm。在脈沖圈峽谷端注入的電壓波形為8/20s，所加電壓為500V。線圈內(nèi)的磁場變化率（也就是小探測線圈上的電壓波形與積分后的磁場波形）如圖2、圖3所示。圖2所示的是探測線圈上感

8、應(yīng)電壓的波形，也就是磁場導(dǎo)數(shù)與線圈常數(shù)乘積的波形。圖3是對圖2進(jìn)行積分并除以探測線圈的線圈常數(shù)得到的磁場波形?？梢钥吹接捎诟蓴_的存在，使感應(yīng)電壓的波形在開始的瞬間為負(fù)極性，進(jìn)一步導(dǎo)致積分后的磁場也在開始瞬間出現(xiàn)負(fù)值。利用探測線圈對脈沖線圈內(nèi)的磁場與線圈兩端所加電壓的關(guān)系進(jìn)行了探索，把探測小線圈放置在大線圈正中內(nèi)位置測量，逐步提高放電電壓，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。同時對脈沖線圈內(nèi)磁場的均勻性進(jìn)行了測試，測量縱向均勻性時，把探測線圈放置在大線圈軸線位置上，由一端向另一端移動，步長為5cm；測試徑向均勻性時，把探測線圈放置于大線圈正中央，然后向徑向移動，步長為1.5cm。測試結(jié)果分別如表2和表3所示。從表1可以得出這樣結(jié)論：大線圈的磁場與浪涌發(fā)生器在線圈兩端所加電壓有良好的線性關(guān)系；而表2和表3的數(shù)據(jù)顯示，大線圈在中央?yún)^(qū)域能夠提供一個長20cm、半徑為6cm的磁場幅值波動在8%范圍內(nèi)相對均勻的脈沖磁場環(huán)境。根據(jù)電磁感應(yīng)定律制作的脈