Физическая энциклопедия - скин-эффект

(от англ. skin кожа, оболочка) (поверхностный эффект), затухание эл.-магн. волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате к-рого, напр., перем. ток по сечению проводника или перем. магн. поток по сечению магнитопровода распределяется не равномерно, а преим. в поверхностном слое (с к и н с л о е). При распространении эл.-магн. волны в проводящей среде в ней возникают вихревые токи, в результате чего часть эл.-магн. энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к затуханию волны. Чем выше частота w эл.-магн. поля и чем больше магн. проницаемость m проводника, тем сильнее (в соответствии с Максвелла уравнениями) вихревое электрич. поле, создаваемое перем. магн. полем, а чем больше проводимость а проводника, тем больше плотности тока и рассеиваемая в ед. объёма мощность (в соответствии с законами Ома и Джоуля Ленца). Т. о., чем больше величины w, m и s, тем резче проявляется С.

-э. В случае плоской синусоидальной волны, распространяющейся вдоль оси х в хорошо проводящей однородной линейной среде, амплитуды напряжённостей электрич. и магн. полей затухают экспоненциально: E=E0e-ax, Н=Н0е-ax, где a=(1/c)?(2psmw) коэфф. затухания. На глубине x=d=1/a амплитуда волны уменьшается в е раз (эту глубину условно принимают за толщину скин-слоя).

Напр., при w=50 Гц в Cu (s=580 кСм/см; m=1) d=9,4 мм, в стали (s=100кСм/см; m=1000) d=0,74 мм. При увеличении w до 0,5 Мгц d уменьшится в 100 раз. В идеальный проводник (с бесконечно большой проводимостью) эл.-магн. волна вовсе не проникает, она полностью от него отражается. Если радиус кривизны сечения проводника r->d и поле в проводнике представляет собой плоскую волну, вводят понятие импеданса характеристического.

Если длина свободного пробега l носителей тока становится больше d (напр., в очень чистых металлах), то при низких темп-рах и сравнительно высоких частотах С.-э. приобретает ряд особенностей (аномальный С.-э.). Эл-ны становятся неравноценными с точки зрения их вклада в электрич. ток; осн. вклад вносят эл-ны, движущиеся в скин-слое параллельно поверхности металла или под очень небольшими углами к ней; они проводят, т.

о., больше времени в области сильного поля (т. н. эффективные эл-ны). Затухание эл.-магн. волны в поверхностном слое по-прежнему имеет место, но количеств. хар-ки у аномального С.-э. несколько иные, в частности поле в скин-слое затухает не экспоненциально. В ИК области частот эл-н за период изменения поля может не успеть пройти расстояние l.

Тогда поле на пути эл-на за период можно считать однородным и С.-э. в этих условиях нормальный. Т. о., на низких и очень высоких частотах С.-э. всегда нормальный. В радиодиапазоне в зависимости от соотношений между l и d могут иметь место и нормальный, и аномальный С.-э. Всё сказанное справедливо, пока частота w меньше плазменной частоты w0» (4pne2/m)1/2 (n концентрация эл-нов проводимости, заряд, m масса эл-на). Относительно более высоких частот (см. МЕТАЛЛООПТИКА). В технике С.-э. часто нежелателен. Перем. ток при сильном С.-э. протекает гл. обр. по поверхностному слою; при этом сечение провода не используется полностью, сопротивление провода и потери мощности в нём при данном токе возрастают. В ферромагн. пластинах или лентах магнитопроводов трансформаторов, электрич. машин и др. устройств перем. магн. поток при сильном С.-э. проходит гл. обр. по их поверхностному слою; вследствие этого ухудшается использование сечения магнитопровода, возрастают намагничивающий ток и потери в стали. С другой стороны, на С.-э. основано действие эл.-магн. экранов, ВЧ поверхностная закалка стальных изделий и др. .