Скін-ефект - це

Скін-ефект (від англ. Skin - шкіра, оболонка)

поверхневий ефект, загасання електромагнітних хвиль у міру їх проникнення в глиб провідного середовища, в результаті якого, наприклад, змінний струм по перетину провідника або змінний магнітний потік по перетину магнітопровода розподіляються не рівномірно, а переважно в поверхневому шарі. С.-е. обумовлений тим, що при поширенні електромагнітної хвилі в провідному середовищі виникають Вихрові струми, в результаті чого частина електромагнітної енергії перетвориться в теплоту. Це і призводить до зменшення напруженостей електричного і магнітного полів і щільності струму, т. Е. До загасання хвилі.

Чим вище частота ν електромагнітного поля і більше магнітна проникність μ провідника, тим сильніше (відповідно до Максвелла рівняння ми) вихровий електричне поле, створюване змінним магнітним полем, а чим більше провідність а провідника, тим більше щільність струму і розсіюється в одиниці об'єму потужність ( відповідно до законів Ома і Джоуля - Ленца). Т. о. чим більше ν, μ і σ, тим сильніше загасання, т. е. різкіше проявляється С.-е.

У випадку плоскої синусоїдальної хвилі, що розповсюджується вздовж осі х в добре проводить, однорідної, лінійному середовищі (струмами зміщення в порівнянні з струмами провідності можна знехтувати), амплітуди напруженостей електричного і магнітного полів затухають по експоненціальному закону:

- коефіцієнт загасання, μ0 -магнітно постійна. На глибині х = δ = 1 / α амплітуда хвилі зменшується в е раз. Ця відстань називається глибиною проникнення або товщиною скін-шару. Наприклад, при частоті 50 гц в міді (σ = 580 КСІМЕ / см; μ = 1) σ = 9,4 мм, в сталі (α = 100 КСІМЕ / см, (μ = 1000) δ = 0,74 мм. При збільшенні частоти до 0,5 Мгц δ зменшиться в 100 разів. в ідеальний провідник (з нескінченно великою провідністю) електромагнітна хвиля зовсім не проникає, вона повністю від нього відбивається. Чим менше відстань, яке проходить хвиля, в порівнянні з δ, тим слабкіше виявляється С.-е.

Для провідників при сильно вираженому С.-е. коли радіус кривизни перетину дроту значно більше δ і поле в провіднику є плоскою хвилю, вводять поняття поверхневого опору провідника Zs (поверхневого імпедансу). Його визначають як відношення комплексної амплітуди (Див. Комплексна амплітуда) падіння напруги на одиницю довжини провідника до комплексної амплітуді струму, що протікає через поперечний переріз скін-шару одиничної довжини. Комплексне опір на одиницю довжини провідника:

де R0 - активний опір провідника, що визначає потужність втрат в ньому, X0 - індуктивний опір, що враховує індуктивність провідника, обумовлену магнітним потоком усередині провідника, lc - периметр поперечного перерізу скін-шару, ω = 2πν; при цьому R0 = X0. При сильно вираженому С.-е. поверхневий опір збігається з хвильовим опором (Див. Хвильовий опір) провідника і, отже, дорівнює відношенню напруженості електричного поля до напруженості магнітного поля на поверхні провідника.

У тих випадках, коли довжина вільного пробігу l носіїв струму стає більше товщини δ скін-шару (наприклад, в дуже чистих металах при низьких температурах), при порівняно високих частотах С.-е. набуває ряд особливостей, завдяки яким він отримав назву аномального. Оскільки поле на довжині вільного пробігу електрона неоднорідний, ток в даній точці залежить від значення електричного поля не тільки в цій точці, але і в її околиці, має розміри близько l Тому при вирішенні рівнянь Максвелла замість закону Ома доводиться використовувати для обчислення струму кінетичне рівняння Больцмана . Електрони при аномальному С.-е. стають нерівноцінними з точки зору їх вкладу в електричний струм; при l >> δ основний внесок вносять ті з них, які рухаються в скін-шарі паралельно поверхні металу або під дуже невеликими кутами до неї і проводять, т. о. більше часу в області сильного поля (ефективні електрони). Загасання електромагнітної хвилі в поверхневому шарі і раніше має місце, але кількісні характеристики у аномального С.-е. дещо інші. Поле в скін-шарі затухає НЕ експоненціально (R0 / X0 =

В інфрачервоній області частот електрон за період зміни поля може не встигнути пройти відстань l. При цьому поле на шляху електрона за період можна вважати однорідним. Це призводить знову до закону Ома, і С.-е. знову стає нормальним. Т. о. на низьких і дуже високих частотах С.-е. завжди нормальний. У радіодіапазоні залежно від співвідношень між / і δ можуть мати місце нормальний і аномальний С.-е. Все сказане справедливо, поки частота з менше плазмової: ω 1/2 (n - концентрація вільних електронів, е - заряд, m - маса електрона) (щодо вищих частот см. Ст. Металооптика).

С.-е. часто небажаний. У проводах змінний струм при сильному С.-е. протікає головним чином по поверхневому шару; при цьому перетин дроту не використовується повністю, опір проводу і втрати потужності в ньому при даному струмі зростають. У феромагнітних пластинах або стрічках магнітопроводів трансформаторів, електричних машин і інших пристроїв змінний магнітний потік при сильному С.-е. проходить головним чином по їх поверхневого шару; внаслідок цього погіршується використання перетину магнітопровода, зростають намагнічує струм і втрати в сталі. «Шкідливий» вплив С.-е. послаблюють зменшенням товщини пластин або стрічки, а при досить високих частотах - застосуванням магнитопроводов з магнітодіелектриків (Див. магнітодіелектриків).

З ін. Боку, С.-е. знаходить застосування в практиці. На С.-е. заснована дія електромагнітних екранів. Так для захисту зовнішнього простору від перешкод, створюваних полем силового трансформатора, що працює на частоті 50 гц, застосовують екран з порівняно товстої феромагнітної сталі; для екранування котушки індуктивності, що працює на високих частотах, екрани роблять з тонкого шару Al. На С.-е. заснована високочастотна поверхнева гарт сталевих виробів (див. Індукційна нагрівальна установка).

Літ .: Нетушил А. В. Поліванов К. М. Основи електротехніки, т. 3, М. 1956; Поліванов К. М. Теоретичні основи електротехніки, ч. 3 - Теорія електромагнітного поля, М. 1975; Нейман Л. Р. Поверхневий ефект в феромагнітних тілах, Л. - М. 1949. Див. Також літ. при ст. Метали.

І. Б. Негневицкая.