Ськин-ефект
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Ськин-ефект

Ськин-ефект (від англ.(англійський) 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. З.-э. обумовлений тим, що при поширенні електромагнітної хвилі в провідному середовищі виникають вихрові струми, внаслідок чого частина електромагнітної енергії перетвориться в теплоту. Це і приводить до зменшення напряженностей електричного і магнітного полів і щільності струму, тобто до загасання хвилі.

загрузка...

Чим вище частота n електромагнітного поля і більше магнітна проникність m провідника, тим сильніше (відповідно до Максвелла рівняннями ) вихрове електричне поле, що створюється змінним магнітним полем, а чим більше провідність а провідника, тим більше щільність струму і розсіювана в одиниці об'єму потужність (відповідно до законів Ома і Джоуля — Лінь). Т. о., чим більше n, m і s, тим сильніше загасання, тобто різкіше виявляється З.-э.

В разі плоскої синусоїдальної хвилі, осі х, що поширюється уподовж в добре провідному, однорідному, лінійному середовищі (струмами зсуву в порівнянні із струмами провідності можна нехтувати), амплітуди напряженностей електричного і магнітного полів затухають по експоненціальному закону:

,

де

— коефіцієнт загасання, m 0 магнітна постійна . На глибині х = d = 1/a амплітуда хвилі зменшується в е раз. Ця відстань називається глибиною проникнення або товщиною ськин-шаруючи. Наприклад, при частоті 50 гц в міді (s = 580 ксим/см; m = 1) s = 9,4 мм, в сталі (а = 100 ксим/см, (m = 1000) d = 0,74 мм. При збільшенні частоти до 0,5 Мгц d зменшиться в 100 разів. У ідеальний провідник (з нескінченно великою провідністю) електромагнітна хвиля зовсім не проникає, вона повністю від нього відбивається. Чим менше відстань, яка проходіт хвиля, в порівнянні з d, тим слабкіше виявляється З.-э.

Для провідників при сильно вираженому З.-э., коли радіус кривизни перетину дроту значно більше d і поле в провіднику є плоскою хвилею, вводять поняття поверхневого опору провідника Z s (поверхневого імпедансу). Його визначають як відношення комплексної амплітуди падіння напруги на одиницю довжини провідника до комплексної амплітуди струму, що протікає через поперечний перетин ськин-шару одиничної довжини. Комплексний опір на одиницю довжини провідника:

де R 0 активне опір провідника, що визначає потужність втрат в нім, X 0 — індуктивний опір, що враховує індуктивність провідника, обумовлену магнітним потоком усередині провідника, l з периметр поперечного перетину ськин-шаруючи, w = 2pn; при цьому R 0 = X 0 . При сильно вираженому З.-э. поверхневий опір збігається з хвилевим опором провідника і, отже, дорівнює відношенню напруженості електричного поля до напруженості магнітного поля на поверхні провідника.

В тих випадках, коли довжина вільного пробігу l носіїв струму стає більше товщини d ськин-шаруючи (наприклад, в дуже чистих металах при низьких температурах), при порівняно високих частотах З.-э. набуває ряду особливостей завдяки яким він отримав назву аномального. Оскільки поле на довжині вільного пробігу електрона неоднорідний, струм в даній крапці залежить від значення електричного поля не лише в цій крапці, але і в її околиці, що має розміри порядку l Тому при вирішенні рівнянь Максвелла замість закону Ома доводиться використовувати для обчислення струму кінетичне рівняння Больцмана. Електрони при аномальному З.-э. стають нерівноцінними з точки зору їх вкладу в електричний струм; при l >> d основний вклад вносять ті з них, які рухаються в ськин-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 як і раніше має місце, але кількісні характеристики в аномального З.-э. декілька інші. Поле в ськин-шарі затухає не експоненціально ( R 0 / X 0 = ).

В інфрачервоної області частот електрон за період зміни поля може не встигнути пройті відстань l. При цьому полі на дорозі електрона за період можна вважати однорідним. Це приводить знову до закону Ома, і З.-э. знову стає нормальним. Т. о., на низьких і дуже високих частотах З.-э. завжди нормальний. У радіодіапазоні залежно від співвідношень між / і d можуть мати місце нормальний і аномальний З.-э. Все сказане справедливо, поки частота з менше плазмовою: w < w 0 »(4p ne2 / m ) 1/2 ( n — концентрація вільних електронів, е — заряд, m — маса електрона) (відносно вищих частот див.(дивися) ст. Металооптика ) .

З.-э. часто небажаний. У дротах змінний струм при сильному З.-э. протікає головним чином по поверхневому шару; при цьому перетин дроту не використовується повністю, опір дроту і втрати потужності в нім при даному струмі зростають. У феромагнітних пластинах або стрічках магнітопроводів трансформаторів, електричних машин і інших пристроїв змінний магнітний потік при сильному З.-э. проходіт головним чином по їх поверхневому шару; внаслідок цього погіршується використання перетину магнітопровода, зростають струм, що намагнічує, і втрати в сталі. «Шкідливий» вплив З.-э. ослабляють зменшенням товщини пластин або стрічки, а при досить високих частотах — вживанням магнітопроводів з магнітодіелектриків .

З ін. сторони, З.-э. знаходить вживання в практиці. На З.-э. заснована дія електромагнітних екранів. Так для захисту зовнішнього простору від перешкод, що створюються 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 З.-э. заснований високочастотний поверхневий гарт сталевих виробів (див. Індукційна нагрівальна установка ).

Літ.: Нетушил А. Ст, Поліванов До. М., Основи електротехніки, т. 3, М., 1956; Поліванов До. М., Теоретичні основи електротехніки, ч. 3 — Теорія електромагнітного поля, М., 1975; Нейман Л. Р., Поверхневий ефект у феромагнітних тілах, Л. — М., 1949. Див. також літ.(літературний) при ст. Метали .

І. Б. Негневіцкий.