Скинэффект в проводниках

Если пропустить по проводнику переменный электрический ток высокой частоты, то окажется, что весь ток в проводнике будет протекать по тонкому поверхностному слою. Это явление называют скин-эффектом. Само название происходит от английского слова, означающего «кожа».

Ток в проводнике создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности с центром на оси проводника; причем магнитное поле существует не только снаружи, но и внутри проводника. При постоянном токе магнитное поле никак не влияет на распределение тока по сечению.

В случае переменного электрического тока, если ток в проводнике меняется во времени, то вместе с ним будет изменяться и магнитное поле. Значит, меняется и поток магнитного поля, и в контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС) магнитной индукции. ЭДС самоиндукции максимально на оси провода, что приводит к неравномерному распределению плотности тока. Плотность тока убывает от поверхности к оси провода примерно по экспоненциальному закону.

Ток как бы вытесняется на поверхность провода, при этом вихревые токи по оси проводника текут против направления основного тока, а на поверхности – в том же направлении

На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока по сечению проводников: плотность тока максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения в глубь проводника. Это явление называется поверхностным эффектом или скинэффектом.

Неравномерное распределение тока объясняется действием магнитного поля того же проводника. Сцепленный с проводом магнитный поток пропорционален току:

где L – индуктивность проводника

Изменение магнитного потока вызывает появление ЭДС индукции:

.

Если ток меняется по синусоидальному закону, то индуцируемая ЭДС пропорциональна частоте

- амплитуда силы тока; - частота тока.

ЭДС самоиндукции имеет направление противоположное току в проводе и тормозит его изменение в соответствии с законом Ленца. При прохождении переменного тока переменное магнитное поле возникает как вне проводника, так и внутри него. По отношению к этому полю различные участки сечения провода находятся не в одинаковых условиях: потокосцепление максимально для внутренней центральной части и минимально для поверхностных слоев проводника. Поэтому ЭДС самоиндукции максимальна в центре проводника и затухает в направлении к поверхности. Соответственно и плотность тока наиболее сильно ослабляется в центральных частях проводника и в меньшей степени у поверхности. С ростом частоты “вытеснение” тока к поверхности проводника проявляется сильнее, так как ЭДС самоиндукции пропорциональна частоте.