СКИН-ЭФФЕКТ
(от англ.
skin - кожа, оболочка), поверхностный эффект, затухание электромагнитных
волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате к-рого,
напр., переменный ток по сечению проводника или переменный магнитный поток
по сечению магнитопровода распределяются не равномерно, а преим. 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 электрич. и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию
волны.
Чем выше частота v электромагнитного
поля и больше магнитная проницаемость М(мю) проводника, тем сильнее
(в соответствии с Максвелла уравнениями) вихревое электрич. 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 v, М
и б(дельта), тем сильнее затухание, т. е. резче проявляется С.-э.
В случае плоской синусоидальной
волны, распространяющейся вдоль оси х в хорошо проводящей, однородной,
линейной среде (токами смещения по сравнению с токами проводимости можно
пренебречь), амплитуды напряжённостей электрич. и магнитного полей затухают
по экспоненциальному закону:
- коэффициент затухания,
Для проводников при сильно
где R В тех случаях, когда длина
В инфракрасной области частот
(п - концентрация
С.-э. часто нежелателен.
С др. стороны, С.-э. находит
Лит.: Нетушил А. В.,
И. Б. Негневицкий.
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
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
М
б = 1/а
амплитуда волны уменьшается в е раз. Это расстояние наз. глубиной
проникновения или толщиной скин-слоя. Напр., при частоте 50 гц в
меди (б = 580 ксим/см; М = 1) б = 9,4
мм, в
стали (б = 100 ксим/см; М = 1000) б = 0,74
мм.
При
увеличении частоты до 0,5 Мгц 8 уменьшится в 100 раз. В идеальный
проводник (с бесконечно большой проводимостью) электромагнитная волна вовсе
не проникает, она полностью от него отражается. Чем меньше расстояние,
к-рое проходит волна, по сравнению с б, тем слабее проявляется С.-э.
выраженном С.-э., когда радиус кривизны сечения провода значительно больше
б
и поле в проводнике представляет собой плоскую волну, вводят понятие поверхностного
сопротивления проводника Zs (поверхностного импеданса). Его определяют
как отношение комплексной амплитуды падения напряжения на единицу
длины проводника к комплексной амплитуде тока, протекающего через поперечное
сечение скин-слоя единичной длины. Комплексное сопротивление на единицу
длины проводника:
магнитным потоком внутри проводника, l
сопротивлением проводника и, следовательно, равно отношению напряжённости
электрич. поля к напряжённости магнитного поля на поверхности проводника.
свободного пробега l носителей тока становится больше толщины б
скин-слоя
(напр., в очень чистых металлах при низких темп-pax), при сравнительно
высоких частотах С.-э. приобретает ряд особенностей, благодаря к-рым он
получил назв. аномального. Поскольку поле на длине свободного пробега электрона
неоднородно, ток в данной точке зависит от значения электрич. 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 кинетич. уравнение Боль-цмана. Электроны при аномальном
С.-э. становятся неравноценными с точки зрения их вклада в электрич. ток;
при l>>б осн. вклад вносят те из них, к-рые 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 электрон
ы). 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
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 l и б могут иметь место
нормальный и аномальный С.-э. Всё сказанное справедливо, пока частота со
меньше плазменной:
свободных электронов, е - заряд, т -масса электрона) (относительно
более высоких частот см. ст. Металлооптика).
В проводах переменный 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 ферромагнитных
пластинах или лентах магнитопроводов трансформаторов, электрических машин
и др. устройств переменный магнитный 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.
"Вредное" влияние С.-э. ослабляют уменьшением толщины пластин или ленты,
а при достаточно высоких частотах - применением магнитопроводов из магнитодиэлектриков.
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 А1. На С.-э.
основана высокочастотная поверхностная закалка стальных изделий (см. Индукционная
нагревательная установка).
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.