Электромагнитные процессы в проводниках и диэлектриках

Физические среды отличаются своими электромагнитными свойствами. Металлы и диэлектрики существенно отличаются проводимостью. Для упрощения анализа НСС часто используется понятие идеального проводника () и идеального диэлектрика (). В идеальном проводнике существует только ток проводимости , а в идеальном диэлектрике – только ток смещения .

Металлы практически во всех диапазоне частот являются проводниками, в диэлектриках (полиэтилен, полистирол и др.) на всех частотах преобладают токи смещения. Естественные среды (почва, вода, лёд) обнаруживают свойства проводников в области низких частот, а в области высоких частот действуют как диэлектрики. Потери электромагнитной энергии в при распространении в диэлектриках незначительные. Скорость распространения электромагнитной энергии в диэлектрике определяется , где км/с – скорость света в свободном пространстве. При распространении плоской волны в диэлектрике и взаимно перпендикулярны, а отношение Е к Н определяет сопротивление среды распространяющейся волне, т.е. волновое сопротивление . Волновое сопротивление свободного пространства Ом, а волновое сопротивление диэлектриков определяется

Если по проводнику протекает переменный ток, то в нем возникает поверхностный эффект (скин-эффект), сущность которого ясна из рисунка 4.5.

Рис. 4.5 – Явление поверхностного эффекта: а) линия тока, магнитного поля и вихревых токов; б) деление токов; в) вытеснение тока на край проводника

Вследствие поверхностного эффекта ток с ростом частоты вытесняется на края проводника, т.е. протекает только по поверхности проводника, что приводит к увеличению его сопротивления при увеличении частоты. Переменный ток распространяется по сечению проводника неравномерно и затухает пропорционально , - коэффициент затухания в металле. Поверхностный эффект характеризуется эквивалентной глубиной проникновения. Эквивалентная глубина проникновения Q - это такая глубина проникновения поля в проводник, при которой напряженность поля (или плотность тока) уменьшается в =2,718 раз.

,

тогда , - коэффициент вихревых токов.

При увеличении частоты глубина проникновения уменьшается, т.е. поверхностный эффект с ростом частоты возрастает. Поверхностный эффект в большей степени проявляется в проводниках с большим удельным сопротивлением.

С поверхностным эффектом связаны эффект близости и эффект действия окружающих масс. Эффект близости проявляется в симметричной паре (рис. 4.6). В этом случае происходит перераспределение плотности токов в проводниках.

Рис. - 4.6 – Эффект близости в симметричной паре.

В кабеле всегда располагается несколько симметричных пар, есть другие металлические элементы. В этом случае возникает перераспределение электромагнитных полей, приводящее к изменению распределения плотности токов, что также увеличивает сопротивление цепи.

Контрольные вопросы

1. Объясните сущность поверхностного эффекта.

2. Объясните зависимость сопротивления проводника от частоты.

3. Что такое глубина проникновения?