Interested Article - Скин-эффект
![](/images/007/446/7446463/1.jpg?rand=808711)
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/655bd50b2d4d9a77bdff70250cb13dfa.gif)
- 2021-07-23
- 1
![](/images/007/446/7446463/1.jpg?rand=57184)
Пове́рхностный эффе́кт , скин-эффект — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды . В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Объяснение поверхностного эффекта
Физическая картина возникновения
![](/images/007/446/7446463/4.jpg?rand=511461)
Рассмотрим цилиндрический проводник, по которому течёт ток. Вокруг проводника с током имеется магнитное поле, силовые линии которого являются концентрическими окружностями с центром на оси проводника. В результате увеличения силы тока возрастает индукция магнитного поля, а форма силовых линий при этом остаётся прежней. Поэтому в каждой точке внутри проводника производная направлена по касательной к линии индукции магнитного поля и, следовательно, линии также являются окружностями, совпадающими с линиями индукции магнитного поля . Изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции :
создаёт электрическое индукционное поле, силовые линии которого представляют замкнутые кривые вокруг линии индукции магнитного поля. Вектор напряжённости индукционного поля в более близких к оси проводника областях направлен противоположно вектору напряжённости электрического поля, создающего ток, а в более дальних — совпадает с ним. В результате плотность тока уменьшается в приосевых областях и увеличивается вблизи поверхности проводника, то есть возникает скин-эффект.
Уравнение, описывающее скин-эффект
Исходим из уравнения Максвелла :
и выражения для по закону Ома :
Дифференцируя обе части полученного уравнения по времени, находим:
здесь — удельная проводимость материала проводника, — удельное сопротивление материала проводника.
Поскольку и окончательно получаем:
- .
здесь — абсолютная магнитная проницаемость материала проводника, — магнитная проницаемость вакуума , — относительная магнитная проницаемость материала проводника.
![](/images/007/446/7446463/23.jpg?rand=172476)
Для упрощения решения предположим, что ток течёт вдоль оси по однородному бесконечному проводнику, занимающему полупространство . Поверхностью проводника является плоскость Таким образом:
Тогда:
В этом уравнении все величины гармонически зависят от и можно положить:
здесь — угловая частота .
Подставим это в наше уравнение и получим уравнение для
Общее решение этого уравнения:
Учитывая, что , где , находим:
При удалении от поверхности проводника ( ) второе слагаемое неограниченно возрастает, что является физически недопустимой ситуацией. Следовательно, , и в качестве физически приемлемого решения остаётся только первое слагаемое. Тогда решение задачи имеет вид:
Взяв действительную часть от этого выражения и перейдя с помощью соотношения к плотности тока, получим:
Принимая во внимание, что — амплитуда плотности тока на поверхности проводника, приходим к следующему распределению объёмной плотности тока в проводнике:
Толщина скин-слоя
![](/images/007/446/7446463/46.jpg?rand=201596)
Материалы:
Mn-Zn – магнитомягкий марганцево-цинковый феррит марки 3C90 с начальной относительной магнитной проницаемостью 2300 (при 25 °C, 10 кГц) и удельным сопротивлением 5 Ом·м.
Al – алюминий, относительная проницаемость = 1, удельное сопротивление = 2,7⋅10 −8 Ом·м .
Cu – медь, относительная проницаемость = 1, удельное сопротивление = 1,7⋅10 −8 Ом·м .
Сталь 410 – ферромагнитная нержавеющая сталь 410, магнитная проницаемость 1000 и удельное сопротивление = 5,7⋅10 −7 Ом·м .
Fe-Si – текстурированная электротехническая сталь (состав около 97% Fe и 3% Si), проницаемость = 29000 и удельное сопротивление = 5,0⋅10 −8 Ом·м .
Fe-Ni – пермаллой (торговое наименование VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG - Mumetall), проницаемость = 250 000 и удельное сопротивления = 5,5⋅10 −7 Ом·м .
Красной вертикальной прямой отмечена частота 50 Гц.
Плотность тока максимальна у поверхности проводника. При удалении от поверхности она убывает экспоненциально и на глубине становится меньше в е раз (примерно на 70 %). Эта глубина называется толщиной скин-слоя и на основании приведённого выше равна:
Частота |
мм |
Примечания |
---|---|---|
50 Гц | 9,34 мм |
50 Гц —
частота
электросети в большинстве стран Евразии и Африки |
60 Гц | 8,53 мм |
60 Гц — частота
электросети в Северной, Центральной и частично Южной Америке |
10 кГц | 0,66 мм | |
100 кГц | 0,21 мм | |
500 кГц | 0,095 мм | |
1 МГц | 0,067 мм | |
10 МГц | 0,021 мм |
Очевидно, что при достаточно большой частоте толщина скин-слоя может быть очень малой. Также из экспоненциального убывания плотности тока следует, что практически весь ток сосредоточен в слое толщиной в несколько , так, уменьшение плотности тока в 100 раз происходит на глубине , если общая толщина проводника многократно превышает толщину скин-слоя. В качестве примера в таблице приведена зависимость толщины скин-слоя от частоты для медного проводника.
Если проводник имеет ферромагнитные свойства, то толщина скин-слоя будет во много раз меньше. Например, для стали ( = 1000) = 0,74 мм. Это имеет значение, например, при электрификации железных дорог , поскольку там стальные рельсы используются в качестве обратного провода.
Для расчёта толщины скин-слоя в металле можно использовать следующие приближённые формулы:
здесь = 8,85419⋅10 −12 Ф/м — электрическая постоянная , — удельное сопротивление , — скорость света , — относительная магнитная проницаемость (близка к единице для пара- и диамагнетиков — меди, серебра, и т. п.), — частота .
Все величины выражены в системе СИ .
Практически удобная формула:
Аномальный скин-эффект
Изложенная теория справедлива лишь при условии, что толщина скин-слоя много больше средней длины свободного пробега электронов, так как мы предполагаем, что при своём движении электрон непрерывно теряет энергию на преодоление омического сопротивления проводника, в результате чего происходит выделение джоулевой теплоты. Такое соотношение справедливо в весьма широких пределах, однако даже при комнатной температуре длина свободного пробега электрона для металлов сопоставима с глубиной скин-слоя — что говорит об аномальном характере эффекта. При очень низкой температуре ситуация только усугубляется : проводимость сильно повышается, а следовательно, увеличивается длина свободного пробега и уменьшается толщина скин-слоя. При этих условиях механизм, приводящий к образованию скин-эффекта, уже не действует. Эффективная толщина слоя, в котором сосредоточен ток, изменяется. Такое явление называется аномальным скин-эффектом.
Применение
На скин-эффекте основано действие взрывомагнитных генераторов (ВМГ), взрывомагнитных генераторов частоты (ВМГЧ) и в частности ударно-волновых излучателей (УВИ) [ источник не указан 1234 дня ] .
Благодаря скин-эффекту в высокочастотном магнитном поле теплота выделяется преимущественно в поверхностном слое. Это позволяет нагревать проводник в тонком поверхностном слое без существенного изменения температуры внутренних областей. Это явление используется в важном, с промышленной точки зрения, методе поверхностной закалки металлов , реализуемом на основе индукционного нагрева .
Помимо поверхностной закалки, в индукционном нагреве скин-эффект позволяет реализовать технологию индукционного удаления полимерных покрытий , широко используемую при ремонте магистральных нефте- и газопроводов, ремонте палубных покрытий морских судов и т. п.
Учёт эффекта в технике и борьба с ним
Скин-эффект проявляется существеннее с увеличением частоты переменного тока, и учитывается при конструировании и расчётах электрических схем, работающих на переменном и импульсном токах. Так как ток высокой частоты течёт по тонкому поверхностному слою проводника, общее активное сопротивление проводника возрастает, что приводит к быстрому затуханию колебаний высокой частоты.
Скин-эффект влияет на характеристики катушек индуктивности и колебательных контуров, такие как добротность , на затухание в линиях передачи, на характеристики фильтров, на расчёты тепловых потерь и КПД, на выбор сечений проводников.
Для уменьшения влияния скин-эффекта применяют проводники различного сечения: плоские (в виде лент), трубчатые (полые внутри), наносят на поверхность проводника слой металла с более низким удельным сопротивлением. Например, серебро обладает наибольшей удельной проводимостью среди всех металлов и технологично для нанесения на металлические поверхности. Тонкий его слой, в котором из-за скин-эффекта и протекает бо́льшая часть тока, оказывает заметное снижение (до 10 %) активного сопротивления проводника. Однако, слой сульфида, образующийся на поверхности серебра, не проводит ток и не участвует в скин-эффекте, в отличие от слоя окиси-закиси на поверхности меди, обладающего заметной проводимостью, и имеет свойства полупроводника, и вносит дополнительные потери на высоких частотах.
Покрытие серебром также применяется в сверхвысокочастотном оборудовании, использующем колебательные контуры особой формы: объёмные резонаторы и специфические линии передачи — волноводы . Кроме того, на таких частотах уделяют внимание снижению шероховатости поверхности с целью уменьшения длины пути протекания тока.
Также применяется и покрытие золотом , у которого слой окислов отсутствует. Напротив, покрытие никелем, оловом или оловянно-свинцовым припоем способно значительно, в несколько раз увеличить сопротивление медных проводников на высоких частотах.
Так, в ВЧ аппаратуре используют катушки индуктивности, намотанные из посеребрённого провода, часто серебрят печатные и проволочные проводники, поверхности экранов и обкладки конденсаторов. В высоковольтных линиях электропередач иногда применяют провод в медной либо алюминиевой оболочке со стальным сердечником [ источник не указан 1234 дня ] , в мощных генераторах переменного тока обмотка изготавливается из трубок, по которым для охлаждения циркулирует дистиллированная вода .
Также с целью снижения скин-эффекта используют систему из нескольких переплетённых и изолированных проводов — намоточный провод литцендрат .
При передаче больших мощностей на значительные расстояния применяются линии электропередачи постоянного тока — HVDC , постоянный ток не вызывает скин-эффекта.
Примечания
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 4. Оптика. — 1980. — С. 454.
- . tech-induct.ru . Дата обращения: 9 мая 2022.
Литература
- Матвеев А. Н. Параграф 53 // Электричество и магнетизм. — М. : Высшая школа, 1983. — 463 с.
- Власов A. A. Глава VI. Параграф 5 // Макроскопическая электродинамика. — 2-е изд.. — М. : Наука, 2005.
- / — доцент кафедры общей физики МИФИ, кандидат физико-математических наук.
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/655bd50b2d4d9a77bdff70250cb13dfa.gif)
- 2021-07-23
- 1