Скин-эффект

Полезное

Смотреть что такое «Скин-эффект» в других словарях:

Скин-эффект — (поверхностный эффект) эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется… … Википедия

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… … Физическая энциклопедия

скин-эффект — (англ. skin кожа, оболочка + аффект) поверхностный эффект 1) явление протекания тока высокой частоты не по всему сечению сплошного проводника, а преимущ. по его поверхностному слою (электрический скин эффект); примен., напр., при поверхностной… … Словарь иностранных слов русского языка

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 течёт в основном в тонком поверхностном слое… … Энциклопедический словарь

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… … Большой Энциклопедический словарь

скин-эффект — скин эффект, скин эффекта … Орфографический словарь-справочник

скин-эффект — сущ., кол во синонимов: 1 • эффект (29) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

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 … Большая политехническая энциклопедия

скин-эффект — Концентрация электромагнитных полей и вихревых токов вблизи поверхности контролируемого изделия. Примечание Является следствием самоиндукции и зависит от частоты, проводимости и магнитной проницаемости. [Система неразрушающего контроля. Виды… … Справочник технического переводчика

скин-эффект — Термин скин эффект Термин на английском skin – effect Синонимы Аббревиатуры Связанные термины Определение Явление затухания электромагнитных волн по мере их проникновения в проводящую среду. Описание Переменное во времени электрическое поле и… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

скин-эффект — aukštadažnis paviršinis laidumo reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. skin effect vok. Hautwirkung, f; Skineffekt, m; Stromverdrängungseffekt, m rus. скин эффект, m pranc. effet de peu, m … Fizikos terminų žodynas

Источник

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:

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

Источник

Что такое скин эффект в электричестве

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.

Проводник в переменном поле

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

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

Слабый скин-эффект

Источник

Скин-эффект

Неравномерное распределение электрического тока по поверхности проводника с переменным током, называется скин-эффектом. Другими словами, концентрация заряда больше у поверхности, чем у сердечника проводника. Омическое сопротивление увеличивается из-за концентрации тока на поверхности проводника.

Скин-эффект усиливается с увеличением частоты. На низкой частоте, такой как 50 Гц, наблюдается небольшое увеличение плотности тока у поверхности проводника; но на высоких частотах, таких как радиочастота, практически все токи протекают по поверхности проводника. Если по проводнику проходит постоянный ток (частота = 0), ток равномерно распределяется по поперечному сечению проводников.

Почему возникает скин-эффект?

Давайте представим, что проводник состоит из нескольких концентрических цилиндров. Когда переменный ток проходит через проводник, в нем индуцируется магнитный поток. Магнитный поток, связывающий цилиндрический элемент около центра, больше, чем магнитный поток, связывающий другой цилиндрический элемент около поверхности проводника. Это связано с тем, что центральный цилиндрический элемент окружен как внутренним, так и внешним магнитным потоком, в то время как внешний цилиндрический элемент окружен только внешним потоком.

Самоиндукция во внутреннем цилиндрическом элементе больше и, следовательно, будет обеспечивать большее индуктивное сопротивление, чем у внешнего цилиндрического элемента. Эта разница в индуктивном сопротивлении вызывает тенденцию концентрации тока к поверхности или краям проводника.

Плотность тока максимальна на поверхности проводника и минимальна в центре проводника. Эффект эквивалентен уменьшению площади поперечного сечения проводника и, следовательно, эффективное сопротивление увеличивается.

Факторы, влияющие на скин-эффект

Важные моменты

Скин-эффект незначителен, если частота меньше 50 Гц, а диаметр проводника меньше 1 см.

В многожильных проводниках, таких как ACSR (алюминиевый проводник, армированный сталью), ток течет в основном во внешнем слое, сделанном из алюминия, в то время как сталь около центра не пропускает ток и придает проводнику высокую прочность на разрыв. Концентрация тока у поверхности позволила использовать провод ACSR.

Источник

Эффект был впервые описан в статье Горация Лэмба в 1883 году для случая сферических проводников и был обобщен на проводники любой формы Оливером Хевисайдом в 1885 году.

СОДЕРЖАНИЕ

Причина

Независимо от движущей силы, плотность тока оказывается наибольшей на поверхности проводника, а его величина уменьшается глубже в проводнике. Это снижение плотности тока известно как скин-эффект, а глубина скин-слоя является мерой глубины, на которой плотность тока падает до 1 / е от своего значения вблизи поверхности. Более 98% тока будет проходить в слое, в 4 раза превышающем толщину кожи от поверхности. Это поведение отличается от поведения постоянного тока, который обычно равномерно распределяется по поперечному сечению провода.

Формула

Плотность переменного тока J в проводнике экспоненциально уменьшается от своего значения на поверхности J _{S в} соответствии с глубиной d от поверхности следующим образом:

Общая формула для определения глубины скин-слоя при отсутствии диэлектрических или магнитных потерь:

Это отклонение от обычной формулы применимо только к материалам с довольно низкой проводимостью и на частотах, где длина волны вакуума не намного больше самой глубины скин-слоя. Например, объемный кремний (нелегированный) является плохим проводником и имеет толщину скин-слоя около 40 метров на частоте 100 кГц (λ = 3000 м). Однако, поскольку частота увеличивается до мегагерцового диапазона, глубина его скин-слоя никогда не опускается ниже асимптотического значения 11 метров. Вывод состоит в том, что в плохих твердых проводниках, таких как нелегированный кремний, скин-эффект не нужно учитывать в большинстве практических ситуаций: любой ток равномерно распределяется по поперечному сечению материала независимо от его частоты.

Плотность тока в круглом проводнике

Импеданс круглого провода

Внутреннее сопротивление на единицу длины отрезка круглой проволоки определяется по формуле:

Этот импеданс представляет собой сложную величину, соответствующую сопротивлению (действительному) последовательно с реактивным сопротивлением (мнимым) из-за внутренней самоиндукции провода на единицу длины.

Индуктивность

Сопротивление

Удобная формула (приписываемая Ф.Э. Терману ) для диаметра D _W проволоки круглого сечения, сопротивление которой увеличивается на 10% при частоте f, выглядит следующим образом:

\ mathrm > <\ sqrt >>>>

Влияние материала на глубину скин-фактора

В хорошем проводнике глубина скин-слоя пропорциональна корню квадратному из удельного сопротивления. Это означает, что более качественные проводники имеют меньшую глубину скин-слоя. Общее сопротивление лучшего проводника остается ниже даже при меньшей толщине скин-слоя. Однако лучший проводник будет иметь более высокое соотношение между его сопротивлением переменному и постоянному току по сравнению с проводником с более высоким удельным сопротивлением. Например, при 60 Гц медный проводник площадью 2000 мкМ (1000 квадратных миллиметров) имеет на 23% большее сопротивление, чем при постоянном токе. Провод такого же размера из алюминия имеет только на 10% большее сопротивление при переменном токе 60 Гц, чем при постоянном токе.

Глубина скин-слоя также изменяется как корень, обратный квадратному из проницаемости проводника. В случае железа его проводимость составляет примерно 1/7 проводимости меди. Однако из-за ферромагнетизма его проницаемость примерно в 10 000 раз больше. Это уменьшает толщину скин-слоя для железа примерно до 1/38 от толщины меди, примерно 220 микрометров при 60 Гц. Таким образом, железная проволока бесполезна для линий электропередач переменного тока (за исключением добавления механической прочности, служащей сердечником для неферромагнитного проводника, такого как алюминий). Скин-эффект также снижает эффективную толщину пластин в силовых трансформаторах, увеличивая их потери.

Смягчение

В высоковольтных и сильноточных воздушных линиях электропередачи часто используется алюминиевый кабель со стальным арматурным сердечником ; более высокое сопротивление стального сердечника не имеет значения, поскольку он расположен намного ниже глубины скин-слоя, где практически не протекает переменный ток.

В приложениях, где протекают большие токи (до тысяч ампер), сплошные проводники обычно заменяются трубками, полностью устраняя внутреннюю часть проводника, где протекает слабый ток. Это практически не влияет на сопротивление переменному току, но значительно снижает вес проводника. Высокая прочность при небольшом весе труб существенно увеличивает пролёт. Трубчатые проводники типичны для распределительных устройств электроэнергии, где расстояние между опорными изоляторами может составлять несколько метров. Длинные пролеты обычно имеют физический прогиб, но это не влияет на электрические характеристики. Чтобы избежать потерь, проводимость материала трубки должна быть высокой.

В ситуациях с большим током, когда проводники (круглые или плоские шины ) могут иметь толщину от 5 до 50 мм, скин-эффект также возникает на острых изгибах, когда металл сжимается внутри изгиба и растягивается за пределами изгиба. Более короткий путь на внутренней поверхности приводит к более низкому сопротивлению, что приводит к тому, что большая часть тока концентрируется вблизи внутренней поверхности изгиба. Это вызывает повышение температуры в этой области по сравнению с прямой (не изогнутой) областью того же проводника. Аналогичный скин-эффект возникает в углах прямоугольных проводников (если смотреть в поперечном сечении), где магнитное поле более сконцентрировано в углах, чем по бокам. Это приводит к превосходным характеристикам (т. Е. Более высокому току при меньшем повышении температуры) от широких тонких проводников (например, «ленточных» проводников), в которых эффективно устраняется влияние углов.

Отсюда следует, что трансформатор с круглым сердечником будет более эффективным, чем трансформатор аналогичного номинала с квадратным или прямоугольным сердечником из того же материала.

Источник