«Скин-эффект»

(от англ. skin — кожа, оболочка)

поверхностный эффект, затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате которого, например, переменный ток по сечению проводника или переменный магнитный поток по сечению магнитопровода распределяются не равномерно, а преимущественно в поверхностном слое. С.-э. обусловлен тем, что при распространении электромагнитной волны в проводящей среде возникают Вихревые токи, в результате чего часть электромагнитной энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к уменьшению напряжённостей электрического и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию волны.

Чем выше частота ν электромагнитного поля и больше магнитная проницаемость μ проводника, тем сильнее (в соответствии с Максвелла уравнениями) вихревое электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, а чем больше проводимость а проводника, тем больше плотность тока и рассеиваемая в единице объёма мощность (в соответствии с законами Ома и Джоуля — Ленца). Т. о., чем больше ν, μ и σ, тем сильнее затухание, т. е. резче проявляется С.-э.

В случае плоской синусоидальной волны, распространяющейся вдоль оси хв хорошо проводящей, однородной, линейной среде (токами смещения по сравнению с токами проводимости можно пренебречь), амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей затухают по экспоненциальному закону:

где

— коэффициент затухания, μ₀ —Магнитная постоянная. На глубине х = δ = 1/α амплитуда волны уменьшается в е раз. Это расстояние называется глубиной проникновения или толщиной скин-слоя. Например, при частоте 50 гц в меди (σ = 580 ксим/см; μ = 1) σ = 9,4 мм,в стали (α = 100 ксим/см,(μ = 1000) δ = 0,74 мм. При увеличении частоты до 0,5 Мгц δ уменьшится в 100 раз. В идеальный проводник (с бесконечно большой проводимостью) электромагнитная волна вовсе не проникает, она полностью от него отражается. Чем меньше расстояние, которое проходит волна, по сравнению с δ, тем слабее проявляется С.-э.

Для проводников при сильно выраженном С.-э., когда радиус кривизны сечения провода значительно больше δ и поле в проводнике представляет собой плоскую волну, вводят понятие поверхностного сопротивления проводника Z_s (поверхностного импеданса). Его определяют как отношение комплексной амплитуды (См. Комплексная амплитуда) падения напряжения на единицу длины проводника к комплексной амплитуде тока, протекающего через поперечное сечение скин-слоя единичной длины. Комплексное сопротивление на единицу длины проводника:

где R₀ — активное сопротивление проводника, определяющее мощность потерь в нём, X₀ — индуктивное сопротивление, учитывающее индуктивность проводника, обусловленную магнитным потоком внутри проводника, l_c —периметр поперечного сечения скин-слоя, ω = 2πν; при этом R₀ = X₀. При сильно выраженном С.-э. поверхностное сопротивление совпадает с волновым сопротивлением (См. Волновое сопротивление) проводника и, следовательно, равно отношению напряжённости электрического поля к напряжённости магнитного поля на поверхности проводника.

В тех случаях, когда длина свободного пробега l носителей тока становится больше толщины δ скин-слоя (например, в очень чистых металлах при низких температурах), при сравнительно высоких частотах С.-э. приобретает ряд особенностей, благодаря которым он получил название аномального. Поскольку поле на длине свободного пробега электрона неоднородно, ток в данной точке зависит от значения электрического поля не только в этой точке, но и в её окрестности, имеющей размеры порядка l Поэтому при решении уравнений Максвелла вместо закона Ома приходится использовать для вычисления тока кинетическое уравнение Больцмана. Электроны при аномальном С.-э. становятся неравноценными с точки зрения их вклада в электрический ток; при l >> δ основной вклад вносят те из них, которые движутся в скин-слое параллельно поверхности металла или под очень небольшими углами к ней и проводят, т. о., больше времени в области сильного поля (эффективные электроны). Затухание электромагнитной волны в поверхностном слое по-прежнему имеет место, но количественные характеристики у аномального С.-э. несколько иные. Поле в скин-слое затухает не экспоненциально (R₀/X₀=

В инфракрасной области частот электрон за период изменения поля может не успеть пройти расстояние l. При этом поле на пути электрона за период можно считать однородным. Это приводит опять к закону Ома, и С.-э. снова становится нормальным. Т. о., на низких и очень высоких частотах С.-э. всегда нормальный. В радиодиапазоне в зависимости от соотношений между / и δ могут иметь место нормальный и аномальный С.-э. Всё сказанное справедливо, пока частота со меньше плазменной: ω <>₀ (4πne2/m)^1/2 (n — концентрация свободных электронов, е — заряд, m —масса электрона) (относительно более высоких частот см. ст. Металлооптика).

С.-э. часто нежелателен. В проводах переменный ток при сильном С.-э. протекает главным образом по поверхностному слою; при этом сечение провода не используется полностью, сопротивление провода и потери мощности в нём при данном токе возрастают. В ферромагнитных пластинах или лентах магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и других устройств переменный магнитный поток при сильном С.-э. проходит главным образом по их поверхностному слою; вследствие этого ухудшается использование сечения магнитопровода, возрастают намагничивающий ток и потери в стали. «Вредное» влияние С.-э. ослабляют уменьшением толщины пластин или ленты, а при достаточно высоких частотах — применением магнитопроводов из магнитодиэлектриков (См. Магнитодиэлектрики).

С др. стороны, С.-э. находит применение в практике. На С.-э. основано действие электромагнитных экранов. Так для защиты внешнего пространства от помех, создаваемых полем силового трансформатора, работающего на частоте 50 гц,применяют экран из сравнительно толстой ферромагнитной стали; для экранирования катушки индуктивности, работающей на высоких частотах, экраны делают из тонкого слоя Al. На С.-э. основана высокочастотная поверхностная закалка стальных изделий (см. Индукционная нагревательная установка).

Лит.: Нетушил А. В., Поливанов К. М., Основы электротехники, т. 3, М., 1956; Поливанов К. М., Теоретические основы электротехники, ч. 3 — Теория электромагнитного поля, М., 1975; Нейман Л. Р., Поверхностный эффект в ферромагнитных телах, Л. — М., 1949. См. также лит. при ст. Металлы.

И. Б. Негневицкий.

СКИН-ЭФФЕКТ (от англ. skin - кожа - оболочка), (поверхностный эффект), неоднородное распределение переменного тока и связанного с ним электромагнитного поля по сечению проводника. При достаточно высоких частотах ток течет в основном в тонком поверхностном слое проводника (скин-слое) и практически отсутствует в глубине.

scin-effect

m.skin-effect

СКИН-ЭФФЕКТ

(от англ. skin — кожа, оболочка) (поверхностный эффект), затухание эл.-магн. волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате к-рого, напр., перем. ток по сечению проводника или перем. магн. поток по сечению магнитопровода распределяется не равномерно, а преим. в поверхностном слое (с к и н - с л о е). При распространении эл.-магн. волны в проводящей среде в ней возникают вихревые токи, в результате чего часть эл.-магн. энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к затуханию волны. Чем выше частота w эл.-магн. поля и чем больше магн. проницаемость m проводника, тем сильнее (в соответствии с Максвелла уравнениями) вихревое электрич. поле, создаваемое перем. магн. полем, а чем больше проводимость а проводника, тем больше плотности тока и рассеиваемая в ед. объёма мощность (в соответствии с законами Ома и Джоуля — Ленца). Т. о., чем больше величины w, m и s, тем резче проявляется С.-э.

В случае плоской синусоидальной волны, распространяющейся вдоль оси х в хорошо проводящей однородной линейной среде, амплитуды напряжённостей электрич. и магн. полей затухают экспоненциально:

E=E0e-ax, Н=Н0е-ax,

где a=(1/c)?(2psmw) — коэфф. затухания. На глубине x=d=1/a амплитуда волны уменьшается в е раз (эту глубину условно принимают за толщину скин-слоя). Напр., при w=50 Гц в Cu (s=580 кСм/см; m=1) d=9,4 мм, в стали (s=100кСм/см; m=1000) d=0,74 мм. При увеличении w до 0,5 Мгц d уменьшится в 100 раз. В идеальный проводник (с бесконечно большой проводимостью) эл.-магн. волна вовсе не проникает, она полностью от него отражается. Если радиус кривизны сечения проводника r->d и поле в проводнике представляет собой плоскую волну, вводят понятие импеданса характеристического.

Если длина свободного пробега l носителей тока становится больше d (напр., в очень чистых металлах), то при низких темп-рах и сравнительно высоких частотах С.-э. приобретает ряд особенностей (аномальный С.-э.). Эл-ны становятся неравноценными с точки зрения их вклада в электрич. ток; осн. вклад вносят эл-ны, движущиеся в скин-слое параллельно поверхности металла или под очень небольшими углами к ней; они проводят, т. о., больше времени в области сильного поля (т. н. эффективные эл-ны). Затухание эл.-магн. волны в поверхностном слое по-прежнему имеет место, но количеств. хар-ки у аномального С.-э. несколько иные, в частности поле в скин-слое затухает не экспоненциально.

В ИК области частот эл-н за период изменения поля может не успеть пройти расстояние l. Тогда поле на пути эл-на за период можно считать однородным и С.-э. в этих условиях нормальный. Т. о., на низких и очень высоких частотах С.-э. всегда нормальный. В радиодиапазоне в зависимости от соотношений между l и d могут иметь место и нормальный, и аномальный С.-э. Всё сказанное справедливо, пока частота w меньше плазменной частоты w0» (4pne2/m)1/2 (n — концентрация эл-нов проводимости, — заряд, m — масса эл-на). Относительно более высоких частот (см. МЕТАЛЛООПТИКА).

В технике С.-э. часто нежелателен. Перем. ток при сильном С.-э. протекает гл. обр. по поверхностному слою; при этом сечение провода не используется полностью, сопротивление провода и потери мощности в нём при данном токе возрастают. В ферромагн. пластинах или лентах магнитопроводов трансформаторов, электрич. машин и др. устройств перем. магн. поток при сильном С.-э. проходит гл. обр. по их поверхностному слою; вследствие этого ухудшается использование сечения магнитопровода, возрастают намагничивающий ток и потери в стали. С другой стороны, на С.-э. основано действие эл.-магн. экранов, ВЧ поверхностная закалка стальных изделий и др.

скин-эффе́кт

(от англ. skin — кожа, оболочка) (поверхностный эффект), неоднородное распределение переменного тока и связанного с ним электромагнитного поля по сечению проводника. При достаточно высоких частотах ток течёт в основном в тонком поверхностном слое проводника (скин-слое) и практически отсутствует в глубине.

* * *

СКИН-ЭФФЕ́КТ (от англ. skin — кожа, оболочка), (поверхностный эффект), неоднородное распределение переменного тока и связанного с ним электромагнитного поля по сечению проводника. При достаточно высоких частотах ток течет в основном в тонком поверхностном слое проводника (скин-слое) и практически отсутствует в глубине.

Термин

скин-эффект

(от англ. skin - кожа, наружный слой, оболочка) - то же, что поверхностный эффект.

СКИН-ЭФФЕКТ (поверхностный эффект) — концентрация переменного тока на поверхности проводника (в скинслое), а не по всему его сечению (как при протекании постоянного тока), а также одновременное уменьшение связанной с этим током магнитной индукции в направлении от поверхности магнитопровода к его центральной части (согласно правилу буравчика и правилу Ленца). Причиной С.-э. является магнитное поле, создаваемое током внутри проводника, которое как бы вытесняет ток (заряды) к поверхности проводника. При распространении в проводящей среде электромагнитной волны в ней возникают вихревые токи (см.), приводящие к нагреву проводника и размагничиванию магнитопровода. Чем выше частота электромагнитного поля, больше магнитная проницаемость и проводимость проводника, тем резче проявляется С.-э. В технике С.-э. часто нежелателен. С др. стороны, на нём основаны действие электромагнитных экранов, процесс закалки поверхности стальных изделий; его используют в сверхвысокочастотной электронике, радиотехнике, физике плазмы и др.