Способы борьбы со скин-эффектом в проводниках

Глубина проникновения электромагнитного поля определяется по формуле:

, см, где

- удельное сопротивление, Ом/см;

μ - относительная магнитная проницаемость материала, для меди(Cu) и алюминия(Al) равна 1;

μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, равная ;

f – частота, Гц.

а)                                                                    б)

Рис 2

На рис. 2, б показаны результаты расчетов распределения поля в проводнике (рис. 2, а) в виде зависимостей модуля отношения комплексной амплитуды напряженности электрического поля внутри проводника  и на обеих сторонах проводника  от нормированного расстояния  для различных соотношений между толщиной скин-слоя в металле Δ и от толщины проводника d. Рисунок иллюстрирует физическую сущность поверхностного эффекта, а также очень важный факт: наличие скин-эффекта в проводнике зависит от его размера.

На рис. 3 показана эффективность использования площади сечения цилиндрического проводника. Здесь  X₀ и есть глубина проникновения электромагнитного поля.

С ростом частоты X₀ уменьшается. Уменьшается и площадь проводника, по которой течет ток. В этом случае рабочая площадь определяется как:

, мм

Отрицательное действие скин-эффекта проявляется в том, что:

·  центральная часть токопроводящего слоя не участвует в переносе электрических зарядов, что вызывает повышенное сопротивление проводника электрическому току, и проводники просто греются;

·  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»;

·  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;

·  в случае широкополосного сигнала, где мгновенная частота с трудом поддается описанию, скин-эффект вызывает беспорядок в размещении подвижных электронов по поперечному сечению проводника;

·  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.

Эффект близости, в частности скин-эффект, вызывающий потери в проводниках трансформатора и дросселей на высоких частотах, хорошо поддается теоретическому вычислению.

Для упрощения расчета потерь заменим круглый проводник на квадратный эквивалентного сечения. Процедура определения потерь в обмотках при несинусоидальном токе состоит из определения гармонического состава тока и сопротивления обмотки на переменном токе для каждой гармоники. Полные потери есть сумма произведений I²R  на каждой частоте, включая и нулевую. Тогда эффективное сопротивление есть отношение мощности полных потерь