7. Поверхностный эффект

7.1. Явление поверхностного эффекта.

Переменный ток по сечению проводника распределяется неравномерно. Плотность тока в различных точках сечения неодинакова. В цилиндрическом проводнике круглого сечения наибольшая плотность тока будет у поверхности проводника, наименьшая – на оси.

Электромагнитная энергия проникает в проводник, сообщается свободным электронам и вызывает (при переменном электромагнитном поле) упорядоченное колебание электронов, т.е. ток проводимости.

Силы взаимодействия между электронами и связанными зарядами тормозят это колебательное движение.

Электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдают им свою энергию и этим усиливают беспорядочное тепловое колебательное движение ионов, т.е. вызывают повышение температуры проводника. Электромагнитная энергия, проникающая в проводник, переходит в тепловую энергию. Если прекратится поступление в проводник электромагнитной энергии, то прекратится и упорядоченное движение электронов, и тока не будет.

При стационарном процессе (постоянный ток) электромагнитная энергия проникает на всю глубину проводника, и ток равномерно распределяется по всему сечению проводника.

При переменном процессе в тот момент, когда вектора или на поверхности проводника равны нулю, поступление энергии в проводник прекращается ( ). Электромагнитная энергия распространяется внутри проводника с конечной скоростью и при высокой частоте за ту часть периода, когда вектор Пойтинга существенно отличается от нуля, не успевает проникнуть на большую глубину. Чем выше частота, тем короче промежуток поступления энергии электромагнитного поля в проводник, тем меньше глубина проникновения энергии.

В результате, при переменном токе упорядоченное движение электронов в наружных слоях будет более интенсивным, чем во внутренних слоях. Плотность тока по мере углубления в проводник будет уменьшаться по амплитуде и отставать по фазе.

Явление неравномерного распределения поля по сечению проводящего тела, вызванное затуханием электромагнитной волны при ее распространении в проводящую среду, называют поверхностным эффектом.

Поверхностный эффект в большей степени проявляется при более высоких частотах и в проводниках большего сечения.

При очень высоких частотах считают, что весь ток проходит по поверхности проводника, и внутри проводника электромагнитного поля нет.

В проводнике неравномерно будут распределены поля и и, соответственно, плотность тока . В связи с поверхностным эффектом изменяются активное сопротивление и индуктивность проводника. С увеличением частоты активное сопротивление растет, а индуктивность уменьшается.

С ростом электрической проводимости и магнитной проницаемости поверхностный эффект усиливается.

Чем больше электрическая проводимость проводника, тем больше свободных электронов, тем интенсивнее расход энергии на упорядоченное движение их, и, следовательно, быстрее затухает поток электромагнитной энергии, входящей через поверхность проводника.

С увеличением магнитной проницаемости уменьшается скорость распространения электромагнитного поля в проводнике (см. (5.24)), а, следовательно, уменьшается глубина его проникновения.