Электроника:Переменный ток/Реактанс и импеданс – Индуктивность/Что такое «скин-эффект»?

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Что такое «скин-эффект»?[1]

Глубина скин-слоя меди в электротехнике

Из прошлой лекции мы знаем, скин-эффект заключается в том, что переменный ток течёт не через всё поперечное сечение проволоки, а ограничено проходит по краю вблизи поверхности провода.

Это ограничивает эффективную (т.е. используемую с этой целью) площадь поперечного сечения проводника, доступную для переноса переменного электронного потока. Что в свою очередь увеличивает сопротивление проводника. Оно выше, чем было бы для обычного постоянного тока:

Рис. 1. Скин-эффект: глубина скин-слоя уменьшается с увеличением частоты тока.

Электрическое сопротивление проводника, когда используется вся площадь поперечного сечения, известно как «сопротивление постоянному току». «Сопротивление переменному току» для того же проводника имеет более высокое значение, как раз из-за скин-эффекта.

Как видите, при высоких частотах переменный ток не проходит через бо́льшую часть поперечного сечения проводника. А это значит, что с тем же успехом можно использовать и полый провод!

Полые проводники в высокочастотных приложениях

В некоторых радиоприложениях (особенно в антеннах) используется этот эффект. Поскольку переменный ток, генерирующий радиочастоты, в любом случае не проходит через центр сечения проводника, почему бы не использовать полые металлические стержни вместо сплошных металлических проводов – ведь тогда можно сэкономить как на весе, так на и стоимости?

По этой причине большинство антенных конструкций и высокочастотных силовых проводов изготовлены из полых металлических трубок.

На фотографии можно увидеть большие по размерам катушки индуктивности, используемые в радиопередающей цепи мощностью 50 кВт. Индукторы представляют собой полые медные трубки, покрытые серебром (которое обеспечивает повышенную проводимость для скин-эффекта):

Рис. 2. Катушки индуктивности большой мощности, сформированные из полых трубок.

Как калибр проволоки влияет на частоту и эффективное сопротивление

Степень, в которой частота влияет на эффективное сопротивление сплошного проводника, зависит от калибра самого провода. Как правило, на любой заданной частоте, проволока с большим сечением демонстрируют более выраженный скин-эффект (сопротивление от переменного тока в таких проводах изменяется сильнее), чем провода малого калибра.

Уравнение для аппроксимации скин-эффекта на высоких частотах (более 1 МГц):

Рис. 3. Формула для вычисления сквозного сопротивления (характеризующего скин-эффект).

В таблице приведены приблизительные значения коэффициента «k» для различных размеров круглой проволоки. Коэффициенты «k» приведены исходя из стандарта AWG (т.н. американский калибр проводов - American Wire Gauge).

Калибр провода Коэффициент k Калибр провода Коэффициент k
4/0 124,5 8 34,8
2/0 99,0 10 27,6
1/0 88,0 14 17,6
2 69,8 18 10.9
4 55,5 22 6,86
6 47,9 - -

Например, посчитаем эффективное сопротивление переменному току 2,182 кОм на частоте 10 МГц, если длина провода 10-го калибра имеет сквозное сопротивление постоянному току 25 Ом:

Рис. 4. Пример расчёта эффективного сопротивления постоянному току.

См.также

Внешние ссылки