
- •Часть 3 Учебное пособие
- •Содержание
- •5. Переменное электромагнитное поле в проводящей среде 134
- •4. Переменное электромагнитное поле в диэлектрике (продолжение)
- •4.5. Источники электромагнитных излучений радиочастот
- •4.6. Передача электромагнитной энергии вдоль проводов линии
- •4 .7. Примеры по расчету электромагнитного поля
- •5. Переменное электромагнитное поле в проводящей среде
- •5.1. Плоская электромагнитная волна в проводящей среде
- •5.2. Длина волны и затухание волны
- •5.3. Электромагнитное экранирование
- •5.4. Поверхностный эффект в плоском ферромагнитном листе
- •5.5. Электрический поверхностный эффект в плоской шине. Эффект близости
- •5.6. Поверхностный эффект в цилиндрическом проводе
- •5.7. Активное и внутреннее индуктивное сопротивление проводов
- •5.8. Сопротивление провода при резком проявлении поверхностного эффекта
- •5.9. Примеры по расчету электромагнитного поля
- •6. Задачи для самостоятельной работы
- •6.1. Расчет электростатических полей. Задачи 1 – 10
- •6.2. Расчет стационарных электрических полей. Задачи 11 – 20
- •6.3. Расчет магнитных полей постоянных токов. Задачи 21 – 30
- •6.4. Расчет переменных электромагнитных полей. Задачи 31 – 40
- •7. Вопросы
- •I. Основные понятия и законы теории электромагнитного поля.
- •II. Электростатическое поле
- •III. Стационарные электрическое и магнитное поля.
- •3.1. Электрическое поле постоянного тока
- •3.2. Магнитное поле постоянного тока
- •IV. Переменное электромагнитное поле
- •Список литературы указан в ч. 1, 2 данного пособия
5.6. Поверхностный эффект в цилиндрическом проводе
Рассмотрим явление поверхностного
эффекта при прохождении переменного
синусоидального тока частотой
по цилиндрическому проводу кругового
сечения. Предположим, что обратный
провод находится настолько далеко, что
влиянием магнитного потока, вызванного
током в нем, на распределение тока в
исследуемом проводе можно пренебречь.
Решение будем проводить в цилиндрической
системе координат (рис. 5.11), совместив
ось oz с осью провода.
Вследствие осевой симметрии линии
магнитной индукции представляют собой
окружности, лежащие в плоскостях,
нормальных к оси провода, с центрами на
этой оси. Таким образом, вектор
имеет единственную составляющую
и вектор
- единственную составляющую
.
В силу осевой симметрии эти составляющие
зависят только от r. С
учетом этого первое уравнение Максвелла
(закон полного тока) в цилиндрической
системе координат (
= z,
H = H)
представляется в виде:
(5.9)
Второе уравнение Максвелла (закон электромагнитной индукции) может быть написано в форме
или
(5.10)
Дифференцируя уравнение (5.9) по t, а уравнение (5.10) по r, имеем:
Из этих соотношений, с учетом уравнения (5.10), получаем уравнение для плотности тока:
Дифференцируя уравнение (5.9) по r и используя уравнение (5.10), получаем уравнение для напряженности магнитного поля:
Поскольку ток, а следовательно, также Н и являются синусоидальными функциями времени, то последние уравнения можно записать для комплексных амплитуд в следующем виде:
Введением новой переменной
последние два уравнения приводятся к
более простому виду:
Эти уравнения являются частными случаями уравнения Бесселя:
Общий интеграл уравнения, как известно, имеет вид:
где А и В – произвольные постоянные; Jn(p) – функция Бесселя первого рода порядка n; Yn(p) – функция Бесселя второго рода порядка n.
Следовательно, общие интегралы для комплексных амплитуд плотности тока и напряженности магнитного поля могут быть представлены в виде
Обозначим радиус сечения провода через R (рис. 5.11). Постоянные А0, В0, А1 и В1 определяются из граничных условий при r = 0 и r = R, то есть при р = 0 и р = R(-j)0.5.
Поскольку функции Бесселя первого J0(0)
= 1 и J1(0) = 0, а функции
Бесселя второго рода Y0(0)
= и Y1(0)
= , то, с учетом того,
что на оси провода ни плотность тока,
ни напряженность поля не могут принимать
бесконечно больших значений, то В0
= 0 и В1 = 0. Постоянная А0 равна
комплексной амплитуде плотности тока
на оси провода. Следовательно,
(5.11)
Напряженность магнитного поля может быть получена из уравнения (5.10):
или
(5.12)
При известном значении амплитуды Im
синусоидального тока, протекающего по
проводнику, достаточно просто определяется
значение плотности тока на оси провода
.
Для этого, используя закон полного тока,
сначала определим значение напряженности
магнитного поля на поверхности проводника:
(5.13)
Здесь РR – значение р при r = R.
Рассмотрим числовой пример. Пусть = 10000; = 107 См/м; f = 50 Гц; d =10 мм (d - диаметр провода); Im = 200 А. Найти распределение плотности тока и напряженности магнитного поля вдоль радиуса провода и определить значение плотности тока на оси провода.
В начале, используя формулы (5.11) и (5.12) построим зависимости m/m0 и Hm/HmR в функции от радиуса r (HmR – модуль амплитуды напряженности поля на поверхности провода). Эти зависимости представлены на рис. 5.12 и рис. 5.13.
К
ак
видно из рис. 5.12, распределение модуля
плотности тока вдоль радиуса существенно
неравномерно, так, если значение модуля
плотности тока m0
на оси провода равно 91280 А/м2, то
на поверхности значение модуля плотности
тока m
= 1.311*107 А/м2, то есть возрастает
более чем в 140 раз.
Здесь следует отметить, что помимо изменения модуля плотности тока изменяется и его фаза.
Распределение модуля напряженности магнитного поля также отличается от того распределения, которое мы бы наблюдали при постоянном токе (кривая 2 на рис. 5.13).
Рассмотрение рис. 5.12 и рис. 5.13 приводит нас к тем же общим физическим положениям, которые были установлены выше и которые характеризуют явление поверхностного эффекта во всех без исключения случаях. По мере проникновения волны вглубь провода она постепенно затухает, и амплитуды напряженности электрического поля и, соответственно, плотности тока убывают. При этом колебания по мере проникновения вглубь все более запаздывают по фазе по отношению к колебаниям на поверхности провода.