Что такое скин эффект

Что такое скин-эффект и где он применяется на практике

Скин-эффект представляет собой электромагнитное явление, которое означает, что на высокой частоте, электрический ток циркулирует только на поверхности проводников. Это явление электромагнитного происхождения существует для всех проводников, через которые проходят переменные токи. Это вызывает уменьшение плотности тока по мере удаления от периферии проводника.

Итак, скин-эффект заключается в возникновении переменных токов, текущих только у поверхности проводника. Глубина проникания токов, выражается математически как

где f — частота изменения поля; μ — магнитная проницаемость; с — удельная электрическая проводимость и к — константа.

Чем выше частота тока, или больше скорость его изменения во времени, тем сильнее проявляется скин-эффект.

При микроволновых частотах токи текут в тонком поверхностном слое проводника, проникая на глубину, не превышающую нескольких межмолекулярных расстояний (магнитное поле внутри проводника отсутвует).

Скин-эффект приводит к уменьшению действующего сечения проводника и, как следствие, к увеличению сопротивления проводника, индуктивность проводника при этом уменьшается.

Распределение плотности тока в твердом проводнике при прохождении по нему: а) постоянного ток и б) переменного тока

Объяснение поверхностного эффекта

Электроны, движущиеся у поверхности проводника и вносящие свой вклад в электрический ток, подвержены действию магнитного потока от других движущихся электронов в меньшей степени, чем те электроны, которые находятся в проводнике на больших глубинах.

Это объясняется тем, что поверхностные электроны испытывают влияние соседних электронов только с одной стороны, тогда как глубинные электроны окружены соседними электронами со всех сторон. Поскольку глубинные электроны, участвующие в создании переменного тока, находятся под действием более сильного магнитного поля, к ним приложены большие силы Ленца.

Рассматривая эти условия под иным углом зрения, можно сказать, что глубинные электроны характеризуются большей взаимной индуктивностью по отношению к соседним электронам, чем поверхностные электроны.

Следовательно, для электронов легче изменить свое движение, если они находятся вблизи поверхности проводника, по сравнению с электронами, находящимися глубже.

Поскольку носители всегда выбирают оптимальную траекторию (соответствующую условию минимальной энергии), в данном случае носители, образующие переменный ток, под действием боковых сил Ленца перемещаются наружу, в область минимальной взаимной индукции, т. е. к поверхности проводника.

Градиент индуктивности внутри проводящего тела обусловливает изменение фазового угла вдоль поперечного сечения тела. Не исключается даже возможность противоположных направлений движения электронов в разных частях одного и того же тела.

Эквивалентная толщина проводящего слоя δ (а также глубина скин-слоя) и фактическое распределение тока в поперечном сечении проводника

Аналогичные явления наблюдаются при возникновении эффекта близости, в основе которого лежит перераспределение носителей, обусловливающих переменный ток, при сближении двух проводников.

Носители заряда, движущиеся в одном из проводников, создают силы, воздействующие на носители в другом проводнике, расположенном поблизости. В результате этого носители заряда в каждом из проводников перемещаются в положение, соответствующее минимуму взаимной индуктивности.

Как скин-эффект, так и эффект близости приводят к перераспределению носителей, эквивалентному уменьшению площади поперечного сечения проводника, через которое течет ток. Следствием этого является увеличение сопротивления проводника, причем сопротивление будет тем больше, чем выше частота переменного тока.

Применение поверхностного эффетка на практике

Снижение действия скин-эффекта в линиях электропередачи с расщепленными фазами:

На ВЛ напряжением 330 кВ и выше фазный провод составляется из нескольких проводов, подвешенных параллельно на некотором расстоянии друг от друга. Такие фазные провода называются расщепленными. Одиночный провод, использующий такое же количество металла на километр, будет иметь более высокие потери из-за скин-эффекта.

В пролетах на линиях электропередачи с расщепленными фазами применяют дистанционные распорки, которые предотвращают схлестывание, соударения и закручивание отдельных проводов фаз.

Также на благодаря скин-эффекту по воздушным линиям электропередачи организовывают передачу высокочастотных сигналов для работы систем телемеханики и связи (такие системы позволяют управлять оборудованием входящим в электрические сети на большом расстоянии).

Эти сигналы передаются на высоких частотах и, соответственно, идут по поверхности провода, а основная передача электроэнергии происходит на низкой частоте (50Гц) по внутренней части провода.

В современной технике сверхвысоких частот многие детали (волноводы, коаксиальные линии) покрывают тонким, хорошо проводящим слоем серебра, так как их сопротивление практически обусловлено только поверхностным слоем.

Промышленная индукционная закалка:

Скин-эффект используется в работе индукционных закалочных установок, для того что бы можно было нагревать металл на нужную глубину. Этого добиваются путем регулирования частоты напряжения на индукторе (чем больше частота – тем меньший слой металла при закалке будет нагрет).

Эта статья предоставлена сайтом “Школа для электрика”. Другие электрические и магнитные эффекты подробно и в доступном для понимания изложении рассмотрены здесь: Электрические эффекты и явления

Что такое скин эффект

Если поместить проводник в стационарное магнитное поле, то за очень короткое время во всем пространстве, включая проводник, вновь возникнет стационарное магнитное поле, в той или иной мере измененное из–за присутствия проводника. Степень изменения поля зависит от типа проводника (парамагнетик, диамагнетик или ферромагнетик) и его геометрии. При этом ток проводимости внутри проводника не течет. Проводник во внешнем стационарном электрическом поле поляризуется, т.е. некоторая часть свободных электронов проводника распределяется по его поверхности таким образом, чтобы полностью скомпенсировать внутри его внешнее поле. Ток в этом случае также не течет.

Здесь мы будем рассматривать проводники из неферромагнитных материалов. В этом случае магнитная проницаемость (в системе СГС) близка к единице, и в большинстве лабораторных работ данного выпуска мы будем пренебрегать ее отличием от единицы. Отличие $mu $ от единицы будет играть роль при обсуждении энерговыделения в проводнике в работе 6.2.

Если к проводнику приложить и поддерживать разность потенциалов, то в нем возникает стационарный ток проводимости. Свободные заряды располагаются только на поверхности проводника (а также в областях неоднородности проводника, если таковые имеются), но их распределение отличается от электростатического случая [1. c.176]. Стационарный ток может течь по всему объему проводника. Рассмотрим длинный прямой провод (рис. 1), к концам которого приложено постоянное напряжение $U.$ По проводнику течет постоянный электрический ток $I.$

Покажем, что в этом случае напряженность электрического поля в проводнике однородна по сечению провода. Для доказательства проведем параллельный оси провода замкнутый прямоугольный контур $L.$ Здесь и далее мы используем в качестве основной гауссову систему единиц, приводя для наиболее важных выражений также их вид в системе СИ. Сопоставление всех формул электродинамики для этих двух систем приведено в [1. C. 668]).

Вспомним, что постоянный ток создает линейно нарастающее по радиусу, но постоянное во времени $(frac=0)$ азимутальное магнитное поле $B =frac<2J>$ (или в системе СИ: $(B =frac<2pi r>).$ Из теоремы о циркуляции электрического поля [1. С. 271] $$ oint limits_ vec E dvec l = – frac 1c int limits_S frac dvec S $$ где $L$ — периметр контура, а $S$ — охватываемая им площадь, сразу следует, что электродвижущая сила (э.д.с.), выражаемая интегралом в левой части уравнения, равна нулю. Это заключение сохраняется при любом перемещении контура и при изменении его размеров, что доказывает сделанное выше утверждение.

Проводник в переменном поле

Ситуация меняется, если к проводнику приложить переменное напряжение. Из уравнений Максвелла $$ mbox vec E = – frac, mbox vec H = frac<4pi>vec j + frac (3) $$ следует, что переменное электрическое поле приводит к появлению вихревого магнитного поля и наоборот. Для рассматриваемого нами случая электромагнитного поля внутри проводника первый член в правой части последнего выражения практически во всех реальных ситуациях значительно больше второго 1) $$ frac<4pi>vec j gg frac. $$ Тогда уравнение упрощается и можно считать, что $$ mbox vec H = frac<4pi>vec j . $$

В этом приближении в рассматриваемой нами задаче вихревое электрическое поле создается изменением магнитного поля, а вихревое магнитное поле создается только вихревыми токами (токами Фуко), текущими по проводнику: $$ vec j=sigma vec E. $$ Очевидно, что током смещения можно пренебречь лишь при достаточно высокой проводимости среды $sigma .$

Поскольку магнитный поток через контур $L$ (см. рис. 1) теперь изменяется со временем, то циркуляция напряженности электрического поля $vec E$ по этому контуру будет отличаться от нуля. Используя правило, по которому определяется направление циркуляции, находим, что при возрастании магнитного потока направление индуцированного электрического поля будет таким, как это изображено на контуре стрелками, а значит, что индуцированное электрическое поле будет ослаблять исходное поле вблизи оси и увеличивать его на периферии провода.

Из этого качественного описания электромагнитной индукции для переменного тока в проводе ясно, почему переменное электромагнитное поле не проникает внутрь проводников, а сосредоточивается вблизи поверхности (см. также [1. c. 648]). Слой, в котором сосредоточено поле, называют скин-слоем (от англ skin — кожа), а эффект вытеснения поля на поверхность проводника — скин–эффектом. Этот эффект существует не только в том случае, когда к концам проводника приложена разность потенциалов, но и тогда, когда проводник находится в созданном любым способом внешнем переменном электромагнитном поле.

Скин-эффект и токи Фуко

Уравнения, описывающие электромагнитное поле внутри проводника, получают из уравнений Максвелла [2. c.258]. Они имеют следующий вид: $$ Delta vec E=frac<4pi sigma mu >frac, (7) $$ $$ Delta vec H=frac<4pi sigma mu >frac, (8) $$ Задавая внешнее электромагнитное поле на границе проводника, из этих уравнений можно найти распределение поля в проводнике. В случае проводника с током это — поле $E_z,$ а для цилиндра в соленоиде это будет полем $H_z.$ Индуцированные поля будут в этих случаях $H_$ и $E_,$ соответственно. Если толщина скин-слоя сравнима с радиусом цилиндра, то решение уравнений будет выражаться некоторой специальной функцией — функцией Бесселя [3. c. 777]. Если же толщина скин–слоя значительно меньше, чем характерные размеры проводника (сильный скин–эффект), то задачу о проникновении поля в проводник можно свести к одномерной задаче. Для такого «плоского» случая решение упрощается. Теория скин–эффекта для конкретных систем более детально рассмотрена в теоретических введениях к следующим двум работам.

Из сказанного выше ясно, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике вихревые токи, которые называются токами Фуко. Это токи играют важную роль в электротехнике. Их изучению посвящены, в частности, вторая и третья лабораторные работы данного выпуска.

Сильный скин-эффект

Пусть снаружи проводника имеется магнитное поле 2) , меняющееся по гармоническому закону с частотой $omega :$ $$ H_z(t)=H_0 exp(-iomega t) $$ Введем ось $x,$ направленную по нормали внутрь проводника (в случае цилиндра она направлена противоположно радиусу), и будем искать решение в виде $$ H_z(x,t)=H_z(x) exp(-iomega t) $$

Тогда уравнение (8) примет вид: $$ frac=-frac<2i>H_z (11) $$ где $$ delta=frac> (12) $$ а $mu $ — магнитная проницаемость проводника. Решением уравнения (11) будет выражение $$ H_z(x,t)=H_0 exp(-frac) exp left(i(frac-omega t) right) (13) $$ Оно означает, что амплитуда поля внутри цилиндра экспоненциально спадает, а его фаза линейно отстает от фазы на поверхности. Очевидно, что выражение (12), определяющее характерный масштаб ослабления поля в e раз, представляет собой толщину скинслоя.

Электрическое поле, индуцированное в проводнике, можно найти, используя выражения (3) и (6), откуда получаем c $$ vec E = frac <4pi sigma >mbox vec H . (14) $$ Подставляя сюда решение (13), находим, что электрическое поле в “плоском” проводнике имеет только составляющую $$ E_y = (i -1)sqrt<8pi sigma >> H_z , (15) $$ перпендикулярную $x$ и $z$ и спадающую вглубь проводника с той же постоянной $delta ,$ что и магнитное поле. В случае цилиндра это означает, что силовые линии электрического поля $E_yequiv E_$ замыкаются по окружности вокруг оси.

Слабый скин-эффект

Экранирующие свойства проводника широко используются на практике для защиты приборов и устройств от переменных и импульсных магнитных и электрических полей, поэтому важно правильно понимать это явление. При анализе выражения (13) часто утверждается, что замкнутый пустотелый проводник эффективно экранирует переменное внешнее поле лишь при высоких частотах $omega ,$ для которых толщина скин–слоя значительно меньше толщины стенки: $delta ll h.$ Это утверждение ошибочно, поскольку $delta $ является не единственным параметром, определяющим ослабление поля в пустотелых проводниках. Действительно, при выводе выражений (13) и (14) с самого начала предполагалось, что $delta ll h.$ В этом случае из решения выпадает такой параметр как радиус цилиндра $R.$

Решение для произвольного соотношения $delta , h $ и $R$ выражается специальными функциями и не очень удобно для простого анализа, поэтому для выяснения роли размеров цилиндра рассмотрим другой предельный случай: $$ delta gg h mbox < и > h ll R . (16) $$ Первое из этих условий означает (см. рис. 2), что индуцированное электрическое поле $E_$ и зависящая от него плотность тока $j =sigma E_$ в стенке цилиндра практически однородны и полный азимутальный ток на единицу длины цилиндра равен $J =sigma E_ h.$ Тогда циркуляцию магнитного поля по контуру $L$ с учетом направления индуцированного тока можно записать таким образом: $$ H_0-H_1 =-frac <4pi > sigma E_, (17) $$ где $H_0$ и $H_1$ — амплитуды магнитного поля снаружи и внутри цилиндра.

Поскольку из второго условия (16) следует, что сечение стенки цилиндра значительно меньше сечения полости, то можно пренебречь магнитным потоком в стенке и записать теорему о циркуляции для электрического поля в виде: $$ E_ cdot 2pi R = – frac 1c frac

=iomega fracH_1, (18) $$ где $Phi $ — магнитный поток внутри цилиндра. Подставляя (18) в (17), найдем выражение для амплитуды переменного магнитного поля внутри цилиндра: $$ H_1=H_0 (1-frac)^<-1>. (19) $$ Преобразовав выражение (18) в экспоненциальную форму, получим для поля внутри цилиндра выражение $$ H_1 = frac>>cdot mbox(icdot mbox(frac
)). (20) $$ Это выражение тем точнее, чем тоньше стенка цилиндра. Безразмерная величина $frac
$ является параметром подобия для задачи об экранировании поля при слабом скин–эффекте.

Из выражения (20) видно, что ослабление поля внутри цилиндра зависит не только от $frac,$ но и от величины отношения $frac.$ Очевидно, что поле в полости существенно ослабляется, если $fracgg 1.$ Взяв корень четвертой степени от этого выражения, придем к очень слабому неравенству $$ delta

Что такое скин эффект

Скин-эффект по популярности далеко обошел такие раскрученные бренды современной физики, как «теория относительности», «квантовая механика», «черные дыры» с «темной материей», «бозон Хиггса», «гравитационные волны» и «нейтрино», как в отдельности, так и все вместе взятые. При запросе «скин-эффект» на поисковике Яндекс появляются 14 миллионов ответов, а на модные теории Яндекс выдает всего 2, 2, 3, 2, 1, 1 и 2 миллиона ответов, соответственно.

Почему заурядный физический эффект приобрел такую популярность? Неужели околонаучный мир повернулся к реальности, к изучению настоящих явлений и эффектов? Как-то не заметно, что затянувшаяся мода на фантомы прошла, скорее наоборот. Или об этом эффекте стало известно что-то новое, о чем я и не подозреваю? Вроде бы, нет ничего нового. В объяснении физической причины возникновения скин-эффекта царит полное единодушие в учебниках и в справочниках. В качестве примера ниже даны выдержки из Физической энциклопедии и из Википедии.

Из Физической энциклопедии: «СКИН-ЭФФЕКТ – затухание эл–магн. волн по мере их проникновения в проводящую среду. Переменное во времени электрич. поле Е и связанное с ним магн. поле Н не проникают в глубь проводника, а сосредоточены в осн. в относительно тонком приповерхностном слое толщиной, называемой глубиной скин-слоя. Происхождение С–э. объясняется тем, что под действием внеш. перем. поля в проводнике свободные электроны создают токи, поле к-рых компенсирует внеш. поле в объёме проводника. С–э. проявляется у металлов, в плазме, ионосфере (на коротких волнах), в вырожденных полупроводниках и др. средах с достаточно большой проводимостью».

Из статьи «Скин-эффект» в русскоязычной версии Википедии:

«Объяснение скин-эффекта

Физическая картина возникновения

Физическая картина возникновения скин-эффекта.

Рассмотрим цилиндрический проводник, по которому течёт ток. Вокруг проводника с током имеется магнитное поле, силовые линии которого являются концентрическими окружностями с центром на оси проводника. В результате увеличения силы тока возрастает индукция магнитного поля, а форма силовых линий при этом остаётся прежней. Поэтому в каждой точке внутри проводника производная направлена по касательной к линии индукции магнитного поля и, следовательно, линии также являются окружностями, совпадающими с линиями индукции магнитного поля. Изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции создаёт электрическое индукционное поле, силовые линии которого представляют замкнутые кривые вокруг линии индукции магнитного поля. Вектор напряжённости индукционного поля в более близких к оси проводника областях направлен противоположно вектору напряжённости электрического поля, создающего ток, а в более дальних — совпадает с ним. В результате плотность тока уменьшается в приосевых областях и увеличивается вблизи поверхности проводника, то есть возникает скин-эффект».

Из статьи «Skin effect» в англоязычной версии Википедии:

Skin depth is due to the circulating eddy currents (arising from a changing H field) cancelling the current flow in the center of a conductor and reinforcing it in the skin.

«Conductors, typically in the form of wires, may be used to transmit electrical energy or signals using an alternating current flowing through that conductor. The charge carriers constituting that current, usually electrons, are driven by an electric field due to the source of electrical energy. An alternating current in a conductor produces an alternating magnetic field in and around the conductor. When the intensity of current in a conductor changes, the magnetic field also changes. The change in the magnetic field, in turn, creates an electric field which opposes the change in current intensity. This opposing electric field is called “counter-electromotive force” (counter EMF). The counter EMF is strongest at the center of the conductor, and forces the conducting electrons to the outside of the conductor, as shown in the diagram on the right.

An alternating current may also be induced in a conductor due to an alternating magnetic field according to the law of induction. An electromagnetic wave impinging on a conductor will therefore generally produce such a current; this explains the reflection of electromagnetic waves from metals.

Regardless of the driving force, the current density is found to be greatest at the conductor’s surface, with a reduced magnitude deeper in the conductor. That decline in current density is known as the skin effect and the skin depth is a measure of the depth at which the current density falls to 1/e of its value near the surface. Over 98% of the current will flow within a layer 4 times the skin depth from the surface. This behavior is distinct from that of direct current which usually will be distributed evenly over the cross-section of the wire.

The effect was first described in a paper by Horace Lamb in 1883 for the case of spherical conductors, and was generalised to conductors of any shape by Oliver Heaviside in 1885. … ».

Сразу же бросается в глаза то, что определение скин-эффекта: «затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в проводящую среду…» – это, по сути, эффект поглощения электромагнитных волн веществом (проводником в данном случае), аналог закона Бугера-Ламберта-Бера, расширенный до частот радиодиапазона и ниже. Объяснение же физической причины скин-эффекта относится к совершенно иному эффекту – неравномерному распределению переменного электрического тока по поперечному сечению проводника. Поглощение электромагнитных волн здесь притянуто лишь для того, чтобы получить аналитическое выражение для толщины токового слоя при скин-эффекте. Разберемся со скин-эффектом, как неравномерным распределением переменного электрического тока по поперечному сечению проводника. При этом не будем вдаваться в особые случаи и не применять экзотические материалы. Казалось бы, здесь все ясно и других объяснений «нормального» скин-эффекта в проводниках с электрическим током не требуется. Для неспециалистов и туго думающих специалистов в Википедии для наглядности еще и картинки нарисовали. Действительно, вихревые электрические токи на картинках у краев проводника складываются с первичным электрическим током, а у центра – вихревые электрические токи вычитаются из первичного электрического тока. Все до гениальности просто, однако, забыли про сущие мелочи: скин-эффект – эффект динамический, и вихревые токи отстают по фазе от первичного электрического тока на четверть периода. Если построить графики, иллюстрирующие представленное выше объяснение физической причины скин-эффекта, то при сложении и вычитании первичного и вихревого (вторичного) переменных токов получается следующая картина (см. графики ниже).

На графике слева показана амплитуда первичного переменного электрического тока единичной амплитуды с частотой ω в зависимости от времени t, I=I0Sin(ωt). На графике справа (синим цветом) показана сумма первичного и индуцированного (вторичного) электрического тока на участке поперечного сечения проводника вблизи его поверхности, IΣ=I0Sin(ωt)+ψ I0Cos(ωt). А коричневым цветом на этом же графике справа показана разность первичного и индуцированного электрического тока на участке поперечного сечения проводника вблизи его центральной части, IΔ=I0Sin(ωt)- ψI0Cos(ωt). Здесь ψ – коэффициент, учитывающий потери энергии при индукции вихревых токов (в данном примере ψ =0.5).

При вариации ψ изменяется лишь фаза тока и, в небольших пределах, – амплитуда. При любом фиксированном значении ψ от нуля до единицы переменный электрический ток в центре проводника не исчезает, а его амплитуда не изменяется по сечению проводника. Амплитуда суммы токов равна амплитуде их разности, из чего следует, что электрический ток в середине проводника равен току у его поверхности. Такое вот «объяснение» физической причины скин-эффекта, которое показывает, что скин-эффекта не должно быть в принципе.

А как же выведенная формула для толщины скин-слоя в ферромагнитном проводнике: d =(0.5ωσμ0μ) -1/2 , где ω – частота, σ – проводимость, μ0 – магнитная проницаемость вакуума и μ – магнитная проницаемость проводника, которая в какой-то степени соответствует наблюдаемому в технике явлению скин-эффекта?

Когда нет понимания физической сути явления, а само явление уже известно из опыта, то пользуются таким формальным инструментом, как математика. В частности, при выводе формулы для расчета «нормального» скин-эффекта была совершена подмена конечного поперечного сечения проводника бесконечным полупространством, а также отброс тех решений дифференциального уравнения, которые не подходят под заведомо желаемый ответ, но это все технические мелочи. Математический вывод формулы для скин-эффекта через волновое уравнение приведен во многих учебниках и в Википедии. Полученная формула для нормального скин-эффекта всех устраивает, хотя вывод ее осуществлен для совсем другого эффекта (поглощения электромагнитных волн в проводящей среде, причем в дальней зоне излучения). Что это означает? Проводимость и магнитная проницаемость введены в формулу для толщины скин-слоя через так называемый волновой параметр k=2π/λ, который, строго говоря, имеет смысл лишь в дальней зоне, зоне излучения. Дальняя зона начинается на расстоянии, большем 2πλ от излучателя, где λ – длина волны излучения. Это значит, что на частоте 50 Гц (для которой в справочниках обычно приводится толщина скин-слоя для железа и меди) источник излучения должен находиться на расстоянии более 37 тысяч километров от железного или медного проводника, в котором наблюдаем скин-эффект… Казалось бы, в здравом уме такое не придумаешь, но это не выдумки – это обыкновенная математизация физики.

Когда физику заменяют формальной математикой, вопросы физики остаются без объяснения. Какая сила выталкивает электроны к поверхности проводника и почему? Ведь при разделении зарядов по сечению проводника между сердцевиной и краями, что имеет место в скин-эффекте, возникает разность потенциалов и, следовательно, должна появиться сила, стремящаяся возвратить электроны к центру проводника. Может быть, сила со стороны магнитного поля, – сила Лоренца, как-то уравновешивает ситуацию с электронами в проводнике с переменным электрическим током? Действительно, сила Лоренца направлена так, что электроны должны двигаться от центра к поверхности проводника. Но так как при постоянном токе сила Лоренца не оказывает заметного влияния на распределение электронов, то почему она должна вдруг резко увеличиться при повышении частоты электрического тока? Ответа этому в современной неклассической физике нет. Сила Кулона, возникающая между сердцевиной проводника и его поверхностью, в приведенном объяснении скин-эффекта оказывается не скомпенсированной. То есть имеющееся объяснение физической причины скин-эффекта не объясняет причину разделения зарядов по сечению проводника и, тем самым, противоречит третьему закону Ньютона.

Разумное физическое объяснение скин-эффекта на основе классической электродинамики существует, оно давно написано в моей непопулярной книжечке, но в сложившейся системе научных знаний оно никому не нужно. Преподаватели ВУЗов не имеют своего мнения, поскольку лишь транслируют содержимое утвержденных чиновниками учебников, а студенты «проглатывают» не задумываясь и не такое. Подобный уровень понимания у ученых и инженеров, работа которых непосредственно связана с проявлениями скин-эффекта. Вот и появляются всякие «аномальные» скин-эффекты, когда не смогли разобраться с «нормальным». Растут горы «научной» макулатуры и забивается «научным» мусором интернет, где найти крупицы истинного знания становится все труднее.

По какой причине скин-эффект оказался столь популярным в интернете я так и не понял. Для информационной флюктуации – маловероятно, а в качестве нового старого технического чуда – не тянет. Да и объяснение этого эффекта позаимствовано, по-видимому, у известного магистра, барона фон Мюнхаузена. Но физики верят…

Скин эффект

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.

Объяснение поверхностного эффекта

Следует подчеркнуть одинаковую плотность тока при подключении проводника к источнику питания с постоянным напряжением. Однако ситуация изменяется при прохождении волнового сигнала.

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:

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.

К сведению. Подобные механизмы используют в нефтяной отрасли для оценки продуктивности скважины. Скин фактор определяет сопротивление перемещению жидкости в близкой технологическому отверстию области пласта. По этому параметру делают оценку реального объема добычи, по сравнению с идеальными условиями.

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.

К сведению. Радикальное устранение вредных явлений организуют с помощью передачи электроэнергии постоянным током.

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.

При переходе в СВЧ диапазон сигналы передают по волноводам. Устраняют возможные негативные проявления с помощью передачи данных сигналами в оптическом диапазоне.

Видео

Скин эффект в проводнике звука

В погоне за максимальной достоверностью звука, аудиофилы начали яро пытаться подавить скин эффект в звуковых проводах. Но что на самом деле такое этот пресловутый скин эффект? Давайте выясним действительно ли это серьезное препятствие на пути качественного звука или же магия глянцевых журналов.

  1. Что такое скин эффект?
  2. Толщина скин слоя
  3. А какая частота считается высокой?
  4. Скин эффект для конкретных частот
  5. Может другие эффекты?
  6. Заключение

Что такое скин эффект?

Если вы не сильны в английском, то скин (skin) переводится как кожа или в данном случае скорее слой. В русскоязычной литературе, скин эффект называют поверхностным эффектом.

Говоря простым языком, скин эффект заключается в том, что протекающий по проводнику переменный ток, вытесняется к поверхности проводника с ростом частоты.

Чем выше частота сигнала F тем сильнее он вытесняется к поверхности и тем тоньше становится слой по которому он протекает. Этот слой называется скин слой. Красная область на рисунке — область по которой сигнал не течет.

Это приводит к тому, что скорость протекания сигнала на разной частоте различна. Происходит это потому, что для разных частот используется разная площадь поперечного сечения проводника, а разная площадь это разное сопротивление. Все это приводит к появлению фазовых искажений в сигнале.

Толщина скин слоя

Толщина скин слоя — это толщина слоя поверхности, углубившись на которую сигнал ослабевает в 2.71 раз (константа е). Говоря проще — это полезная площадь проводника, через которую сигнал проходит без изменений.

Представьте только. мы тратим колоссальные деньги на микросхемы и конденсаторы, а какой-то кусочек дешевого провода портит весь эффект. Грусть. печаль…

А какая частота считается высокой?

Как уже было сказано, скин эффект проявляется только на переменном сигнале и только на высоких частотах. До этого я специально обходил числовые значения частоты стороной. Но что же означает высокая частота?

Тут стоит заострить внимание на том, что под «высокими частотами» подразумеваются высокие по меркам электроники, а не человеческого слуха. Бороться с проявлением скин эффекта начинают на частотах выше 1МГц. Там может доходить и до того, что проводники делаются не сплошными, а полыми в виде трубок. Т.к. в центральная часть проводника становится не просто ненужной, но еще и вредной для сигнала.

Конечно скин эффект проявляется и в слышимой области частот. Не зря же об этом пестрят все Хай-Энд издания. Но вот только хитрые маркетологи не говорит о том, насколько проявляется это влияние.

Скин эффект для конкретных частот

Сегодня существует довольно много онлайн калькуляторов, считающих толщину скин слоя для конкретной частоты. Мне приглянулся этот. На нем и будем считать.

А теперь давайте узнаем толщину скин слоя для максимальной слышимой частоты. Считается что мы слышим в лучшем случае до 20кГц. Но есть данные, что в улитке слухового аппарата есть специальные волоски, погруженные в лимфу, которые чувствуют частоты до 100кГц. Эти частоты, хоть мы их и не слышим влияют на восприятие слышимого диапазона…

Да не важно) вообщем, для 100 кГц толщина скин слоя составляет 0.2 мм.

Если взять провод с радиусом равным толщине скин слоя, то на скин эффект можно наплевать. Ибо его толщина это весь провод.

Толщину проводков, применяемых в наушниках можно посмотреть зарезав одни из своих наушников или, например, в статье «как починить наушники без паяльника». Сегодня уже практически стандарт делать такие провода из литцендрата.

Литцендрат это многожильный провод, каждая жилка которого имеет отдельную лаковую изоляцию.

Так что толщина каждого проводка много меньше полученного результата. Вот таким нехитрым образом страницы красивых журналов нас красиво разводят.

Может другие эффекты?

Конечно есть еще один поверхностный эффект. Суть его сводится к тому, что все протекающие в проводнике заряды — электроны имеют одинаковый знак. А как известно, одинаковые заряды отталкиваются. В результате протекающий ток подобно скин эффекту прижимается к краю проводника.

Но этот эффект проявляется только при токах намного больших 10-20 ампер, и ни к межблочным ни к наушниковым кабелям никакого отношения не имеет…

Заключение

Провод действительно может влиять на звук. Так или иначе он обладает такими паразитными характеристиками как индуктивность, емкость и сопротивление. Но у любого качественного провода эти паразитные величины настолько мизерны, что грешно косить на кабель, если что-то плохо звучит.

Материал подготовлен исключительно для сайта AudioGeek.ru

Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название – АудиоГик. Материалы этого сайта – личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали :-)

Пользуемся осциллографами. Смотрим сигналы не только звуковые. Щуп осциллографа тоже экранированный кабель. Внутри кабель щупа как-то смотрел — одна тонюсенькая моножила наверно 0,1 мм. диаметром. Рабочая полоса от нуля до мегагерц и десятков мегагерц, ток мизерный понятное дело. Скин-эффект никого не тревожит?

Расскажу секрет из советских учебников- ток течет по поверхности проводника)))

Был бы рад увидеть ссылочки на такие учебники)
Ну или хотяябы цитату.

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Поверхностный эффект не терпит поверхностного отношения

Главная > Теория > Скин эффект

Звуковой сигнал изменяет свойства проводников, соединяющих компоненты электронной схемы. Причинами этого могут быть:

  • частотные характеристики, вызванные взаимодействием параметров RCLD-кабеля, и неблагоприятные условия входного и выходного импеданса компонентов;
  • конструкция кабеля и применяемые материалы.

Важно! Даже при оптимальных параметрах RCLD часто наблюдаются четкие различия в звуке.

Одной из причин, часто связанной с конструкцией кабеля, является поверхностный эффект.


Поверхностный эффект в проводе

Что такое скин эффект?

Если вы не сильны в английском, то скин (skin) переводится как кожа или в данном случае скорее слой. В русскоязычной литературе, скин эффект называют поверхностным эффектом.

Говоря простым языком, скин эффект заключается в том, что протекающий по проводнику переменный ток, вытесняется к поверхности проводника с ростом частоты.

Чем выше частота сигнала F тем сильнее он вытесняется к поверхности и тем тоньше становится слой по которому он протекает. Этот слой называется скин слой. Красная область на рисунке — область по которой сигнал не течет.

Это приводит к тому, что скорость протекания сигнала на разной частоте различна. Происходит это потому, что для разных частот используется разная площадь поперечного сечения проводника, а разная площадь это разное сопротивление. Все это приводит к появлению фазовых искажений в сигнале.

Поверхностный эффект не терпит поверхностного отношения

В данной статье я бы хотел заострить внимание аудиофилов на эффекте, который многие с недавних пор называют «транзисторным», некоторые давно ведут с ним борьбу в ВЧ и СВЧ технике, некоторые в ходе борьбы с ним выпускают межблочные и акустические кабели стоимостью до нескольких тысяч американских долларов, кое-кто пытается представить этот эффект ни чем иным, как просто… галлюцинациями аудиофилов! Ниже я расскажу, как за пару вечеров в домашних условиях из подручных материалов изготовить превосходный (т.е. абсолютно нейтральный в широком диапазоне частот) аудиокабель, не уступающий по качеству лучшим мировым образцам. Но прежде, чтобы все стало на свои места, я скажу следующее: вся звуковая и высокочастотная радиоаппаратура сконструирована неправильно! Далее по тексту предусмотрены ваши вероятные вопросы.

— Мы об этом и без вас давно подозревали. Ну и в чем же тут дело?

Известно, что при прохождении переменного тока по проводящему слою проводника или полупроводника имеет место так называемый `поверхностный эффект’ (скин-эффект). При этом большая часть движущихся электрических зарядов из-за электромагнитной индукции располагается вблизи поверхности токопроводящего слоя. Отрицательное действие скин- эффекта проявляется в том, что большая центральная часть токопроводящего слоя не участвует в переносе электрических зарядов, что вызывает повышенное сопротивление проводника электрическому току. Кроме того, скин-эффект в металлических проводах и в обкладках конденсаторов приводит к медленному перераспределению подвижных электронов от центра к поверхности, вследствие чего возникают нежелательные эффекты направленности и `притирки’ кабелей, а в конденсаторах усиливается эффект `памяти’. Отрицательное действие скин-эффекта на кабели и провода усугубляется еще и тем, что химические соединения металла токопроводящего слоя с кислородом и азотом воздуха, образующиеся на поверхности провода в результате коррозии, обладают диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами, что, в свою очередь, способствует росту потерь и искажений. Так известно, степень проявления скин- эффекта зависит от частоты тока. Точнее, от мгновенной частоты тока. С ростом частоты толщина поверхностного слоя, по которому проходит ток, уменьшается. В случае широкополосного сигнала, где мгновенная частота с трудом поддается описанию, скин-эффект вызывает полный бардак в размещении подвижных электронов по поперечному сечению проводника. Следствием этого являются нелинейные, интермодуляционные и частотно-фазовые искажения электрического широкополосного сигнала, проходящего через проводник или полупроводник. В бытовой и профессиональной аудиоаппаратуре скин-эффект соединительных межблочных и акустических проводов приводит к заметным на слух искажениям сигналов, ухудшающим качество звуковоспроизведения. В радиоприемной аппаратуре последствия скин- эффекта (например, в кабеле, соединяющем антенну со входом радиоприемного устройства) из- за создаваемых им интермодуляционных искажений широкополосного сигнала заключаются в снижении избирательности, уменьшении отношения `сигнал/шум’ и снижении реальной чувствительности. Известно, что при прохождении переменного тока по проводнику основная (полезная) электромагнитная волна распространяется вдоль проводника по прямой линии между точками с разными потенциалами. Из-за скин-эффекта кроме полезной волны возникает нежелательная паразитная электромагнитная волна, направленная от центральной оси токопроводящего элемента к его поверхности, перпендикулярно направлению полезной волны, вызывая фазовые искажения проходящего сигнала. В цифровых импульсных устройствах, например, компьютерах, из-за скин-эффекта в медных проводниках печатных плат и разъемов искажается форма коротких импульсов, что приводит к срывам синхронизации, сбоям в регистрации импульсов. Это основное препятствие повышению тактовой частоты в материнских платах и разъемах компьютеров. На сверхвысоких частотах скин-эффект резко снижает добротность реактивных элементов — конденсаторов и катушек индуктивности. Вследствие этого на частотах выше 1 гГц скин-эффект является основным фактором, ограничивающим миниатюризацию радиоэлектронных изделий, например микросхем. Именно скин-эффект несет ответственность за так называемый `транзисторный эффект’ звучания. В транзисторах поперечная площадь кристалла намного меньше площади поперечного сечения электронного облака, как и площадей катода и анода в лампе. Кроме того, контактные площадки на поверхности кристалла транзистора подсоединены тонюсенькими проволочками (это знает любой, кто хоть раз видел транзистор без корпуса), в которых скин- эффекту живется очень вольготно.

— Что же можно сделать для борьбы с этим явлением?

Я могу порекомендовать недорогой и эффективный способ нейтрализации скин-эффекта. Он основан на том обстоятельстве, что материал подавляющего большинства проводников (медь, серебро, алюминий, латунь) и полупроводниковых (кремний, германий) элементов имеет показатель относительной магнитной проницаемости m от 0,9999 до 1,0001, т. е. около единицы. Поверхность токопроводящего элемента 1 покрывают парамагнитной оболочкой 2 (см. рис.), причем оболочка не обязательно должна плотно прилегать, возможен некоторый небольшой зазор. Оболочка выполняется в виде одного или нескольких слоев твердого парамагнитного m больше 1 диэлектрического материала (магнитодиэлектрика), обладающего на макроуровне показателем относительной магнитной проницаемости m, в несколько раз превосходящим проницаемость токопроводящего элемента, низкой электропроводностью, а также малыми потерями на перемагничивание (петля гистерезиса). На рис. для наглядности показано два слоя оболочки: слой 3 и слой 4. Оболочка должна закрепляться неподвижно относительно токопроводящего элемента на его поверхности; в случае зазора ширина его не должна превышать половину длины волны переменного тока в токопроводящем элементе.

Протекающий в токопроводящем элементе 1 перпендикулярно плоскости рисунка переменный ток создает внутри проводящего слоя элемента 1 нежелательное поперечное электромагнитное поле скин-эффекта. Силовые линии 6 этого поля действуют на элементарные движущиеся заряды 5 внутри токопроводящего элемента 1 и направлены от центра токопроводящего слоя к его поверхности. В то же время основной (полезный) переменный ток сигнала, протекающий по токопроводящему элементу 1, создает в слоях 3 и 4 парамагнитной оболочки 2 противодействующее магнитное поле, силовые линии 7 которого направлены от поверхности токопроводящего элемента 1 к его центру и также воздействуют на элементарные движущиеся заряды 5 внутри проводника 1. Интенсивность и того, и другого полей возрастает с увеличением силы тока и с ростом частоты. Таким образом достигается компенсация действия паразитного поперечного поля и однородное распределение электрического тока по всему поперечному сечению токопроводящего слоя. Для большинства слаботочных токопроводящих элементов с целью достижения положительного эффекта парамагнитная оболочка может выполняться из материала с показателем относительной магнитной проницаемости от 1,5 до 20 толщиной несколько десятков микрон и более. Для силовых токопроводящих элементов, при малых размерах проводника, а также для низкочастотных устройств оболочка может быть сходной толщины при величине m от 1,5 до 50. Если материал оболочки обладает показателем m больше 50, а длина токопроводящего элемента значительная (несколько метров), то наряду с паразитной поперечной волной полезная волна также будет подавляться, возрастет собственная индуктивность кабеля и потери в самой оболочке, а проходящий сигнал получит фазовые сдвиги. Для наглядности принцип, на котором основан данный способ борьбы со скин- эффектом, можно сравнить с магнитной или электромагнитной фокусировкой пучка электронов в электронно-лучевой трубке, например, телевизионном кинескопе. В кинескопе поток электронов движется с ускорением в вакууме под действием высокого анодного напряжения от катода к аноду (экрану). При этом вследствие взаимоотталкивающего действия падающий на экран электронный луч образует размытое пятно. Поэтому необходима принудительная фокусировка луча, для чего применяются катушки, создающие кольцевое электромагнитное поле вокруг электронного пучка. Так достигается фокус и сведение.

Я предлагаю использовать для парамагнитной оболочки смесь диэлектрика (например лака, смолы или поливинилхлорида) с порошком электропроводного магнитомягкого материала (например, измельченный пермаллой или оксифер). Объемное соотношение диэлектрика и магнитного материала выбирают таким, чтобы электропроводность их смеси была ничтожной по сравнению с электропроводностью токопроводящего элемента. Предлагаю также использовать смесь диэлектрического полимера с порошками таких веществ, как двуокись хрома CrO2, гамма-окись железа Fe2O3, кобальт-гамма-окись железа CoFe2O3. Эти магнитные материалы имеют показатель относительной магнитной проницаемости от 1,5 до 2,0 и обладают малым временем перемагничивания. Они производятся промышленностью для аудио- и видеолент, их стоимость невелика. Хотя в сильном магнитном поле указанные материалы обладают сравнительно высокой коэрцитивной силой, в большинстве радиоэлектронных элементов сила проходящего по ним тока недостаточно высока для проявления магнитотвердых свойств этих материалов. Поэтому в данном случае потери на гистерезис в оболочке невелики, что позволяет достичь положительного эффекта. При изготовлении гибкого высококачественного (аудиофильного, как теперь модно говорить) неэкранированного межблочного или акустического кабеля (автор использовал обычную хромдиоксидную видеоленту шириной 12,7 мм на лавсановой основе). Лента наматывается с перекрытием в 6 — 10 слоев на основную металлическую (медную или серебряную) токопроводящую жилу. В результате такой операции резко снижаются нелинейные искажения, вносимые кабелем, а верхняя частота пропускания кабеля увеличивается с 30 МГц до 120 — 250 МГц и выше, в зависимости от толщины провода. При этом кабель выполняется в виде трех сплетенных `косичкой’ проводников (наподобие того, как это делает фирма Kimber Kable).

Кроме изготовления кабелей, описанный метод борьбы со скин-эффектом может быть применен на промышленном уровне в отношении токопроводящих элементов любых форм и видов, выполненных из проводников, сверхпроводников и полупроводников с показателем относительной магнитной проницаемости около единицы, предназначенных для пропускания тока и управления током в широком диапазоне силы и частоты. саявленный метод может быть применен, например, в производстве кабелей связи, монтажных и соединительных проводов, транзисторов, диодов, интегральных микросхем, контактных устройств, разъемов, резисторов, электрических конденсаторов и высокочастотных катушек индуктивности.

— И что же мы получим в результате применения предложенного вами метода?

Получим удовольствие от прослушивания музыки.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий