Поверхневий ефект в провіднику. Скін-ефект

Змінний струм супроводжується електромагнітними явищами, які призводять до витіснення електричних зарядів з центру провідника на його периферію. Цей ефект називається – поверхневим ефектом, або скін-ефектом. В результаті цього ефекту струм стає неоднорідним. На периферії ток виявляється більшим за величиною, ніж в центрі. Це відбувається через відмінності в щільності вільних носіїв зарядів в перпендикулярному перетині провідника щодо направлення струму.

 

Використовуючи наведену вище формулу для мідного провідника отримуємо, що при частоті струму в 50 Гц глибина проникнення складе приблизно 9,2 мм. Фактично це означає, що маючи провідник з круглим перетином з радіусом понад 9,2 мм, струм в центрі провідника буде відсутнім, тому що там не буде вільних носіїв зарядів.

Чим вище частота струму, тим менше глибина проникнення. Збільшення частоти струму в два рази спричинить за собою зменшення глибини проникнення в корінь квадратний з двох. Якщо частота струму збільшиться в 10 разів, то, відповідно, глибина проникнення зменшиться в корінь з 10 раз.

Графік розподілу струму.

На графіку наочно показано розподіл щільності струму J в провіднику круглого перетину (циліндричний). За межами глибини проникнення щільність струму дорівнює нулю або ж мізерно мала, тому що в цих місцях провідника відсутні вільні електрони. Струм в цих місцях відсутній.

Графік щільності струму при скін-ефекту

Якщо з центру такого провідника де відсутня ток, витягти проводить матеріал, то ми отримаємо порожнистий провідник у вигляді трубки (трубчастий). Провідні характеристики від цього не зміняться, тому як струму там і не було, опір такого провідника не зміниться, але можуть помінятися такі характеристики як індуктивність і ємність провідника.

Опір провідника в колі змінного струму залежить не тільки від матеріалу провідника, але також від частоти струму. При високих частотах, за рахунок скін-ефекту, весь струм починає протікати практично по межі провідника, там де він контактує із зовнішнім, чи не провідним середовищем.

Практичне використання скін-ефекту.

Розподіл щільності струму в провіднику в залежності від частоти струму дозволяє по одному дроту передавати електричні сигнали різних частот. Сигнали більш високої частоти проходять по зовнішньому радіусу (більшого) провідника, а сигнали меншою частоти по меншому радіусу. Виходить щось на зразок листкового пирога циліндричної форми, де начинка розподіляється сферически. Кожен вид начинки – це як би окрема частота струму.

З огляду на глибину проникнення струму для різних частот, якщо потрібно провідник з радіусом більшим, ніж глибина проникнення, то розумно застосовувати багатожильний кабель. Скажімо так, для 50 Гц частоти струму, граничний радіус приблизно 9 мм, а це значить, що немає сенсу експлуатувати цілісний провідник з радіусом більше 9 мм. Це не дасть ніякого збільшення провідності, тому що струм в центрі провідника буде відсутнім, що є нераціональним використанням дорогої міді. Ось тому при більшому перерізі застосовують багатожильні проводи та кабелі.

При передачі високочастотних сигналів, з метою економії кольорового металу, основний несучий дріт виготовляють з дешевого сталевого сплаву, який потім покривають тонким шаром міді. Завдяки скін-ефекту струм протікає практично тільки по мідній оболонці, а в сталевому підставі він відсутній. Це дозволяє значно здешевити проводи та кабелі для високочастотних засобів зв’язку.

ПОДІЛИТИСЯ:

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.

Дивіться також:
Теплова машина