Фізичні процеси у направляючих системах (поверхневий ефект та ефект близькості). Конструкції симетричних та коаксіальних кабельних кіл. Фізичні процеси в направляючих системах
Розповсюдження електромагнітної енергії по направляючих системах є єдиним процесом, що охоплює середовище розповсюдження (провідники жил, металеву поверхню порожнинних хвилеводів, ізоляцію жил або діелектрик, з якого виготовлені оптичні волокна світловодів). Для направляючих систем, в яких використовується провідники розглянемо окремо процеси, що відбуваються в провіднику та діелектрику. Частина електромагнітної енергії, що проходить уздовж кабельного кола, поглинається струмопровідними жилами і розсіюється у вигляді теплових втрат на вихрові струм, викликаючи загасання в металі. Це явище враховується двома первинними параметрами передачі кола: активним опором R та індуктивністю L. В ізоляції, що знаходиться у змінному електромагнітному полі, відбувається явище поляризації, виникають діелектричні втрати, що обумовлює загасання в діелектрику. Ці явища характеризуються другою парою первинних параметрів передачі кола: ємністю С і провідністю ізоляції G. Розповсюдження електромагнітної енергії по кабельним колам, так як і всі електромагнітні процеси (випромінювання, поглинання, розповсюдження у вільному просторі), підпорядковуються основним законам електромагнітного поля, математично вираженими рівняннями Максвела.
Під дією змінного поля відбувається перерозподіл електромагнітної енергії по перетину жили; при цьому мають місця наступні явища: поверхневий ефект, ефект близькості і впливу на параметри кола (сусідніх струмоведучих жил, екрану, броні). Ці явища викликають зміну електромагнітного поля і параметрів кіл. Активний опір R і ємність С збільшуються, а індуктивність L зменшується.
Поверхневий ефект обумовлений дією електромагнітної хвилі, що розповсюджується вздовж струмоведучих жил. Силові лінії внутрішнього магнітного поля Н перетинають товщу жили, наводять в ній вихрові струми Івт, що спрямовані за законом Ленца, тобто проти обертання буравчика при його поступальному русі (напрям Н). Вихрові струми в центрі жили мають напрям, зворотний до напряму основного струму в провіднику, а на периферії їх напрямки співпадають.
В результаті взаємодії вихрових струмів з основним відбувається такий перерозподіл струму по перетину жили, при якому щільність струму зростає від центру провідника до його поверхні. Це явище носить назву поверхневий ефект. Він зростає з зростанням частоти струму, магнітною проникністю, провідності і діаметру жили. При достатньо високій частоті струм протікає лише по поверхні провідника, що викликає збільшення його активного опору.
Коефіцієнт
вихрових струмів:
Де: колова частота, магнітна проникність,
провідність матеріалу жили
Еквівалента
глибина проникнення:
(з зростанням частоти різко зменшується)
Ефект близькості виникає за рахунок взаємодії зовнішніх полів. Як видно з наведеного малюнку, зовнішнє магнітне поле (утворене струмом у лівому провіднику пари жил) перетинає товщу правого провідника, наводить в ньому вихрові струми. На поверхні правого провідника, що наближена до лівого провідника, вихрові струми будуть співпадати з основним струмом, що протікає по правому провіднику. А на протилежній поверхні цього ж провідника вихрові струму спрямовані зустрічно з основним струмом. Такий самий перерозподіл щільності струму буде і в лівому провіднику. Тобто буде мати місце зростання величини струму на поверхнях двох провідників, що наближені один до одного. Це явище носить назву ефекту близькості. За рахунок його дії збільшується активний опір провідника. Характер зміни щільності струму на поверхнях двох наближених один до одного провідників залежить від напряму струму в цих провідниках, що показано на наступному малюнку
Ефект наближення до металевих мас відбувається за рахунок відбиття від них електромагнітного поля, яке буде впливати на параметри кіл. Магнітне поле, що створюється струмом, що протікає по жилам кола, наводить вихрові струми в металевих частинах конструкції кабелю (металеві провідники жил сусідніх пар, екрани, броня). Вихрові струми нагрівають ці елементи і в них відбуваються додаткові теплові втрати енергії , тобто як би відбувається «відсмоктування» частини енергії, що передається по направляючий системі. Окрім того, вихрові струми створюють поле зворотної дії, яке впливає на провідники кола і змінює їх параметри.