Поверхностный эффект1
«Поверхностный эффект» — явление, под воздействием которого плотность электрического тока, проходящего по проводникам, увеличивается в слоях, находящихся ближе к их внешней поверхности, а уменьшается в радиальном направлении в точках, расположенных ближе к центру проводника, и наконец, в своей центральной линии (оси проводника) достигает минимально возможного значения.
Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводнику, тем выше интенсивность этого явления и наоборот. Таким образом, в постоянном электрическом токе (постоянный ток – нулевая частота) величина поверхностного эффекта окончательно становится равным нулю и плотность тока, проходящего по проводнику, во всех точках выравнивается.
На следующих рисунках вы можете увидеть величина плотности электрического тока, проходящего по проводнику переменного тока, на разных частотах:
Причина явления поверхностного эффекта
Причину этого явления следует искать в «Правиле Ленца2». Прохождение переменного тока через проводник создает переменные во времени магнитные поля в виде коаксиальных линий с осью проводника внутри и вне его. Согласно «Правиле Ленца», изменение амплитуды переменного тока, проходящего через проводник, создает новые электрические токи в замкнутом виде на поверхностях, перпендикулярных внутреннему магнитному полю проводника по обе стороны от его оси, а индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.
Естественно, увеличение частоты проходящего переменного тока усилит и ускорит возникновение этого явления.
Эффект близости3
«Эффект близости» – это явление, имеющее то же происхождение, что и «поверхностный эффект», и касается таких параметров, как близость проводников и сосредоточение плотности их электрического тока во внутреннем пространстве проводников.
«Эффект близости» возникает за счет размещения двух токонесущих проводников рядом друг с другом и воздействия их внешних магнитных полей друг на друга. Это явление работает таким образом, что при прохождении через них токов одинакового направления плотность их электрических токов на противоположных сторонах друг друга будет выше, и наоборот, при прохождении через них токов обратного направления плотность их электрических токов на непротивоположных сторонах друг друга будет выше.
Подобно правилам и принципам явления «поверхностный эффект», «эффект близости» ощущается более заметно по мере увеличения частоты электрического тока, проходящего по соседним проводникам.
Соотношения и величины, связанные с «поверхностным эффектом» и «эффектом близости»
Для формулировки явлений «поверхностный эффект» и «эффект близости» определен ряд математических величин и соотношений. В этом разделе мы объясним некоторые из них.
Сначала объясним, как распределяется плотность электрического тока по всему поперечному сечению проводника. Как указано выше, поверхностный эффект увеличивает плотность тока, проходящего через проводник, по мере удаления от центра проводника к его внешней поверхности, а его интенсивность больше ощущается за счет увеличения частоты тока, проходящего через проводник. По полученным экспериментальным соотношениям, распределение плотности тока по поперечному сечению проводника представляет собой показательную функцию от протекающего по нему тока. В следующем соотношении можно увидеть величину плотности тока, проходящего через поперечное сечение проводника, по пространственному удалению от его внешней поверхности:
В приведенных выше соотношениях J0 — плотность тока в поверхностных точках проводника (максимальная плотность), и δ — глубина проникновения «скин-потока». Плотность тока, проходящего через проводник, на глубине проникновения «скин-потока» с поверхности проводника, составляет 37 % от его значения на поверхности проводника. В следующих соотношениях показано, что величина тока, проходящего от поперечного сечения проводника до точки глубины проникновения «скин-потока» с поверхности проводника, составляет 63% от общего количества тока.
1- Skin Effect
2- Lenz’s Law
3- Proximity Effect