СКИНЭФФЕКТ

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, М_о -магнитная постоянная. На глубине х = 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.

Для проводников при сильно 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:

где R_O - активное сопротивление проводника, определяющее мощность потерь в нём, Х_о - индуктивное сопротивление, учитывающее индуктивность проводника, обусловленную магнитным потоком внутри проводника, l_с -периметр поперечного сечения скин-слоя, w = 2пv; при этом R_о = Х_о. При сильно выраженном С.-э. поверхностное сопротивление совпадает с волновым сопротивлением проводника и, следовательно, равно отношению напряжённости электрич. поля к напряжённости магнитного поля на поверхности проводника.

В тех случаях, когда длина 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

В инфракрасной области частот 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:

(п - концентрация свободных электронов, е - заряд, т -масса электрона) (относительно более высоких частот см. ст. Металлооптика).

С.-э. часто нежелателен. 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.

С др. стороны, С.-э. находит 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).

Лит.: Нетушил А. В., 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.

И. Б. Негневицкий.