Скин-эффект

 Поверхностный эффект не терпит

поверхностного отношения 

I.4 Скин-эффект 

1 Качественный анализ 

Рассмотрим теперь физику скин – эффекта. Если в однородном проводнике имеется постоянный ток, то плотность тока одинакова в  разных точках сечения проводника. Иное наблюдается при переменном токе. В этом случае плотность тока оказывается не одинаковой по сечению: она наибольшая на поверхности и наименьшая на оси проводника. Эта неравномерность тем больше, чем толще проводник и чем больше частота переменного тока, и при очень больших частотах ток практически существует только в тонком поверхностном слое, отчего явление и получило название скин-эффекта (от англ- skin- кожица, поверхностный слой).

Указанное явление объясняется  возникновением вихревого электрического поля электромагнитной индукции. Рассмотрим проводник с переменным током, и пусть в данный момент времени ток I имеет направление, указанное на рис. Э34 . 
 
 

 Этот ток создает внутри проводника магнитное поле Н, силовые линии которого лежат в плоскости, перпендикулярной к оси проводника. Предположим, что ток I усиливается. Тогда возрастающее магнитное поле Н вызовет появление вихревого электрического поля Е (рис. Э34а), которое у поверхности проводника направлено одинаково с током I, а на оси проводника - противоположно току. Это поле, следовательно, будет усиливать ток на поверхности, и ослаблять его на оси.

Допустим теперь, что ток I уменьшается. В этом случае ослабевающее магнитное поле Н вызовет электрическое поле Е, которое будет направлено противоположно по сравнению с первым случаем (рис. Э34б), т. е. будет у поверхности противоположно току, а на оси - совпадать с током. В обоих случаях, и при усилении, и при ослаблении тока, вихревое электрическое поле будет на оси проводника препятствовать, а на поверхности способствовать изменениям тока, а значит, на оси проводника переменный ток будет слабее, а на поверхности сильнее. Этот эффект присутствует, вообще - то, на любой частоте, но становятся особенно заметным на высоких частотах. 
 
Вследствие скин-эффекта электрический ток при высоких частотах течет преимущественно сквозь поверхностный слой проводника. Это приводит к уменьшению действующего сечения проводника (рис. Э35) и, соответственно, к увеличению его сопротивления.

В этой связи вводится толщина скин-слоя δ. Она определяется как глубина, на которой плотность тока уменьшается в e раз или приблизительно на 36.9 процентов от величины тока на поверхности проводника.

Расчетное распределение  тока в круглом цилиндрическом проводе - показано на рисунке Э36. Из рисунка видно, что большая часть тока на высоких частотах сосредоточена в тонком слое вблизи поверхности проводника. При постоянном токе или очень низких частотах ток равномерно распределен по всему сечению проводника и сопротивление постоянному току определяется соотношением R₀ = ρ/(πa²) Ω/м Это наименьшее сопротивление, которое проводник может иметь сразу после изготовления. Вследствие температурных перепадов, вибрации или коррозии, его сопротивление со временем может увеличиваться. 
 
 
 
Скин – эффект не ограничивается только вытеснением тока на поверхность проводника при протекании по проводнику высокочастотного тока. Проявлением скин-эффекта является также ослабление переменного магнитного поля по мере проникновения его вглубь проводника из-за того, что это возбуждающее поле создает во внутренних слоях вихревое электрическое поле. Вихревое электрическое поле, в свою очередь, создает во внутренних слоях вихревые токи. Магнитное поле этих вихревых токов внутри проводника будет направлено навстречу исходному возбуждающему магнитному полю и будет ослаблять его. Таким образом, благодаря поверхностному эффекту плотность вихревых токов и напряженность магнитного поля по мере углубления в проводник будет падать.

Действительно, при постоянном токе магнитное поле возникает как во внешнем пространстве, так и внутри проводника. При наличии скин-эффекта ток существует практически только в поверхностном слое, и магнитного поля внутри проводника нет. А это значит, что магнитная энергия становится меньше на величину энергии поля внутри проводника. Следовательно, индуктивность проводника с ростом частоты уменьшается.

2. Основы теории поверхностного  эффекта 

Рассмотрим основы теории скин эффекта. Будем предполагать, что  поля и токи меняются по гармоническому закону от времени, т.е. пропорциональны )exp(tiω−. Будем также считать, что электромагнитная волна распространяется вдоль оси z, и строго поперечна, т. е. HHy=и . Все остальные компоненты магнитного EEx=0==zxHH и электрического 0==zyEE полей равны нулю. Тогда из уравнения для получим rotH 
 
 
 
 
 
 Если быстропеременный высокочастотный ток протекает по проводнику, то вихревые токи, индуцируемые в проводнике, препятствуют равномерному распределению плотности тока по поперечному сечению проводника – плотность тока на оси провода оказывается меньше, чем у его поверхности. Ток как бы вытесняется на поверхность провода, при этом вихревые токи по оси проводника текут против направления основного тока, а на поверхности – в том же направлении (рис. 3.10). Это явление называется скин-эффектом (от англ. skin – кожа, оболочка). Впервые это явление описано  в  1885–1886 гг.  английским  физиком  О. Хевисайдом, а обнаружено на опыте его соотечественником Д. Юзом в 1886 г. 
 

При нарастании тока в проводе ЭДС  индукции направлена против тока. Электрическое  поле самоиндукции максимально на оси  провода, что приводит к неравномерному распределению плотности тока. Плотность тока убывает от поверхности к оси провода примерно по экспоненциальному закону.       

При частоте  ,  – ток практически равномерно распределен по объему проводов, исключая очень толстые кабели. Но при высокочастотных колебаниях  глубина проникновения    и ток почти целиком течет по поверхности провода. По этой причине с целью уменьшения потерь поверхность высокочастотных контуров серебрят. Провода для переменных токов высокой частоты, учитывая скин-эффект, сплетают из большого числа тонких проводящих нитей, изолированных друг от друга эмалевым покрытием – литцендратом.      

ВЧ-токи используются для закалки  поверхностей деталей: поверхностный  слой разогревается быстро в ВЧ-поле, закаливается и становится прочным, но не хрупким, так как внутренняя часть детали не разогревалась и не закаливалась.