Скин эффект
Содержание
Каждый опытный электротехник знает, что распределение плотности тока в проводнике нелинейно. Чем ближе к центральной оси, тем меньше амплитуда сигнала. При высокой частоте для корректного расчета вполне достаточно учитывать прохождение волн через определенный поверхностный слой. Это явление, скин эффект, способно выполнять полезные функции. Для успешного применения на практике, кроме общей теории, нужно изучить методику вычислений.
На основе скин эффекта создают экономичные системы обогрева трубопроводов
Объяснение поверхностного эффекта
Следует подчеркнуть одинаковую плотность тока при подключении проводника к источнику питания с постоянным напряжением. Однако ситуация изменяется при прохождении волнового сигнала.
Распределение плотности тока в проводнике
Физическая картина возникновения
Для объяснения причин явления можно использовать вторую часть пояснительной картинки выше. В графической форме показаны силовые воздействия, которые образуются переменным полем. Электрическая составляющая (Е) направлена противоположно току (I), что объясняет возникающее сопротивление и соответствующее уменьшение амплитуды. По мере приближения к поверхности будет проявляться обратный эффект. Он вызван совпадением векторов напряженностей.
Уравнение, описывающее скин-эффект
Для выражения амплитуды через плотность тока берут определяющие соотношения из классических уравнений закона Ома и формул Максвелла. Дифференциалом по заданному временному интервалу можно вычислить значения магнитной и электрической компонент поля. В упрощенном виде рассматривают бесконечный проводящий образец, созданный из однородного материала.
Формула определения частоты среза диаметра проводника
Для практических вычислений отдельными незначительными факторами пренебрегают. Например, чтобы определить частоту среза (Fср), цепь радиотехнического устройства рассчитывают по диаметру (D) соответствующего проводника. В формулу добавляют важнейшую характеристику определенного материала – удельное сопротивление (Rу) или проводимость (Sу). Зависимость отмеченных параметров показывает следующее выражение:
Fср = 4/ (π*μ*Sу*D2),
где μ – постоянная величина (μ = 4* Sу*10-7 Генри на метр).
Глубина проникновения
Аналогичным образом, в упрощенном виде, можно рассчитать критичное расстояние от поверхности. Подразумевается, что в соответствующей области плотность тока уменьшается до минимальной значимой величины (-8,69 дБ, по сравнению с номиналом). Этот параметр (Dпр) называют глубиной проникновения. Для вычислений применяют формулу:
Dпр = √( Sу/( π*μ*f)), где f – частота сигнала.
Толщина скин-слоя
Из рассмотренного в предыдущем разделе определения понятна обратная зависимость плотности тока от частоты сигнала. Следующая таблица демонстрирует наглядно «активный» слой медного проводника. При многократном уменьшении энергетического потока в глубине на определенном уровне нецелесообразно применение толстых линий электропередач.
| Параметр | Значения | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Частота сигнала, Гц | 50 | 60 | 10 000 | 100 000 | 1 000 000 |
| Толщина скин слоя, мм | 9,34 | 8,53 | 0,66 | 0,21 | 0,067 |
В первых двух столбцах приведены значения для стандартных сетей переменного тока. Эти данные демонстрируют, что сравнительно незначительное изменение частоты (10 Гц) делает бесполезным 1,62 мм диаметра проводника (медь). Нетрудно вычислить значительную экономию при создании длинной линии после соответствующей оптимизации параметров сигнала. Следует не забывать, что каждый металл отличается глубиной эффективного слоя. Какой выбрать вариант, будет понятно после тщательного изучения целевого назначения конструкции.
Аномальный скин-эффект
Внимательное изучение явления позволяет сделать несколько важных выводов. Как показано на конкретных примерах, скин слой отличается небольшой глубиной. Однако соответствующее расстояние намного меньше средних значений свободного пробега заряженных частиц. Следует не забывать, что на соответствующее перемещение нужно затратить определенную энергию. Преодоление электрического сопротивления материала сопровождается нагревом.
Если снижать температуру, проводимость увеличится. Одновременно станет больше свободный пробег, и уменьшится толщина рассматриваемой части проводника. При определенном уровне стандартный механизм волновых взаимодействий станет ничтожным. Аномальный скин эффект – это изменение размеров слоя, в котором обеспечивается достаточно высокая для практического использования плотность тока.
Применение
Поверхностный эффект позволяет обеспечить локальный нагрев части проводника при пропускании переменного тока. Этот принцип используют, чтобы обогреть трубопровод в зимний период. Правильное применение технологии подразумевает следующие преимущества:
- отсутствие сопроводительных контрольных и функциональных устройств;
- практически неограниченная длина трассы;
- возможность безопасного применения высоких температур.
Частотное распределение плотности токов используют для передачи информационных сигналов по силовым линиям электропередач. При достаточном уменьшении длины волны близость центральной части проводника не будет помехой. Модулированная СВЧ составляющая проходит в поверхностном слое. Для создания пакетов данных и расшифровки применяют специальные кодирующие (декодирующие) устройства.
Учёт эффекта в технике и борьба с ним
Это явление оказывает заметное влияние по мере увеличения частоты сигнала. Следует учитывать скин эффект при проектировании схем с переменными (импульсными) токами. В частности, делают коррекцию расчета катушки фильтра, колебательного контура, трансформатора.
Типовые способы решения обозначенных проблем:
- уменьшение толщины проводника;
- создание полых конструкций;
- образование поверхностного слоя из металла с лучшей проводимостью;
- устранение неровностей;
- плетение из нескольких изолированных жил.
Способы подавления скин эффекта
Перечисленные методики имеют особое значение при работе с высокочастотными радиосигналами. В частности, для улучшения проводимости поверхностный слой создают из серебра, платины, других благородных металлов. Следующие рекомендации применяют на практике при создании качественной аудио аппаратуры:
- для пропускания сигналов используют тонкие (0,25-0,35 мм) жилы;
- плетением кабеля устраняют значительные искажения силовых линий магнитного поля;
- надежной изоляцией предотвращают окисление меди;
- проверяют наличие поблизости других линий, способных оказывать вредное взаимное влияние.
Оптоволоконная линия связи
При переходе в СВЧ диапазон сигналы передают по волноводам. Устраняют возможные негативные проявления с помощью передачи данных сигналами в оптическом диапазоне.
