Скин-эффект

Есть толстый проводник конечных размеров. При прохождении тока через проводник одинакова ли плотность тока по всему сечению? Зависит ли плотность от частоты? На сколько поле (переменное магнитное) проникает в глубину проводника в зависимости от частоты поля?

Рассмотрим нити плотности тока в зависимости от . Плотность тока распространяется неравномерно из-за индукционного взаимодействия элементов тока. Получается такой эффект, что вблизи поверхности индукционное поле сонаправлено с полем тока , а ближе к оси - направлено. Переменный ток сосредоточен вблизи поверхности проводника – это скин-эффект. Толщина скин-поля зависит от частоты:

.

При достаточно высокой ток течет вблизи поверхности тонким слоем, следовательно при высоких внутреннюю часть проводника можно убирать. При частоте 50 Гц ток незначительно меняется при приближении к оси. Толщина скин-слоя совпадает глубиной проникновения поля в проводнике.

Объяснение эффекта: энергия движется в пространстве вокруг проводника. Часть этой энергии проникает через поверхность проводника внутрь, чтобы поддерживать упорядоченное движение электронов, и она превращается в кинетическую энергию электронов.

Электромагнитные волны в линиях

Есть двухпроводная линия. Она представляет собой чередование LC контуров.

Электрическое поле порождает магнитное, магнитное поле порождает электрическое.

Происходит следующая картина. Линия на концах может быть замкнута или разомкнута. Если она разомкнута – конденсатор, замкнута – индуктивность. Вдоль линии идет чередование минимумов и максимумов электрического поля. Причем это чередование идет через половины длины волны. Эта сложенные падающая и отраженная волны., т.е. в линии существует стоячая волна (максимумы – пучности, минимумы - узлы).

Образование электромагнитных волн

В момент зарядим конденсатор. . Все поле сосредоточено в конденсаторе.

В момент времени конденсатор разряжается, вся энергия электрического поля переходит в магнитное поле, .

При происходит перезарядка конденсатора, и вся энергия магнитного поля переходит в энергию электрического поля.

При вынужденных колебаниях имеет место процесс установления колебаний, т.е. пока колебания устанавливаются, в системе имеет место процесс нарастания амплитуды, он имеет смысл биения.

При затухающих колебаниях вводят логарифмический декремент затухания:

,

з десь - число колебаний, за которое амплитуда уменьшится в раз, - коэффициент затухания. При малом затухании , , здесь - добротность контура, .

Д обротность контура тем выше, чем большее число колебаний успеет совершиться, прежде чем амплитуда уменьшится в раз. Для последовательно соединенного контура добротность контура – это отношение напряжения на конденсаторе к напряжению источника .

Если мы имеем резонансную кривую, то . Также существует предел добротности: при слабом затухании добротность механической колебательной системы с точностью до множителя равна отклонению энергии, запасенной в данный момент времени, к убыли этой энергии за период:

.

Образование электромагнитных волн с помощью колебательного контура

Возьмем колебательный контур и развернем.

Рассматриваем излучатель в виде вибратора – это диполь. Диполь состоит из двух зарядов и , которые колеблются с некоторой частотой вдоль вертикальной оси. Амплитуда колебаний обоих зарядов одинакова, а фазы противоположны.

П ри заряды находятся в одной и той же начальной точке, и электромагнитное поле отсутствует.

П ри система представляет собой электрический диполь. Поле имеется только в пределах диполя, на далеких расстояниях поля нет.

П ри поле начинает распространяться на более далекие расстояния.

В момент времени оба заряда проходят через положение равновесия и компенсируют друг друга. Поле почти оторвалось.

При поле начинает существовать само по себе. Одновременно с электрическим полем начинает существовать магнитное поле. Образуется электромагнитная волна.