Неравномерное распределение электрического тока по поверхности проводника с переменным током, называется скин-эффектом. Другими словами, концентрация заряда больше у поверхности, чем у сердечника проводника. Омическое сопротивление увеличивается из-за концентрации тока на поверхности проводника.
Скин-эффект усиливается с увеличением частоты. На низкой частоте, такой как 50 Гц, наблюдается небольшое увеличение плотности тока у поверхности проводника; но на высоких частотах, таких как радиочастота, практически все токи протекают по поверхности проводника. Если по проводнику проходит постоянный ток (частота = 0), ток равномерно распределяется по поперечному сечению проводников.
Почему возникает скин-эффект?
Давайте представим, что проводник состоит из нескольких концентрических цилиндров. Когда переменный ток проходит через проводник, в нем индуцируется магнитный поток. Магнитный поток, связывающий цилиндрический элемент около центра, больше, чем магнитный поток, связывающий другой цилиндрический элемент около поверхности проводника. Это связано с тем, что центральный цилиндрический элемент окружен как внутренним, так и внешним магнитным потоком, в то время как внешний цилиндрический элемент окружен только внешним потоком.
Самоиндукция во внутреннем цилиндрическом элементе больше и, следовательно, будет обеспечивать большее индуктивное сопротивление, чем у внешнего цилиндрического элемента. Эта разница в индуктивном сопротивлении вызывает тенденцию концентрации тока к поверхности или краям проводника.
Плотность тока максимальна на поверхности проводника и минимальна в центре проводника. Эффект эквивалентен уменьшению площади поперечного сечения проводника и, следовательно, эффективное сопротивление увеличивается.
Факторы, влияющие на скин-эффект
- Частота — скин-эффект усиливается с увеличением частоты.
- Диаметр — скин-эффект усиливается с увеличением диаметра проводника.
- Форма проводника — скин-эффект больше в цельном проводе и меньше в многожильном проводе, потому что площадь поверхности цельного провода больше.
- Тип материала — скин-эффект увеличивается с увеличением проницаемости материала (проницаемость — это способность материала поддерживать формирование магнитного поля).
Важные моменты
Скин-эффект незначителен, если частота меньше 50 Гц, а диаметр проводника меньше 1 см.
В многожильных проводниках, таких как ACSR (алюминиевый проводник, армированный сталью), ток течет в основном во внешнем слое, сделанном из алюминия, в то время как сталь около центра не пропускает ток и придает проводнику высокую прочность на разрыв. Концентрация тока у поверхности позволила использовать провод ACSR.
