Скін-ефект

Не плутати з Скін-фактор

Розподіл струму в циліндричному провіднику, зображеному в перерізі. Для змінного струму густина струму експоненціально зменшується від поверхні всередину. Глибина скін-сфери, δ, визначається як глибина, де щільність струму становить лише 1/e (приблизно 37%) від значення на поверхні; це залежить від частоти струму та електричних і магнітних властивостей провідника.

Скін-ефе́кт[1] (від англ. skin — шкіра) — явище проникнення електромагнітного поля в провідник на певну глибину, яка називається скін-шар. Водночас, скін-ефект призводить до протікання струму в провіднику в основному в області скін-шару, і, як наслідок, збільшення опору провідника. Тобто скін-ефект — це проходження змінного електричного струму високої частоти не через увесь переріз провідника, а переважно лише в поверхневому шарі.

Інша назва — поверхневий ефект.

Глибина скін-шару визначається формулою[2]

${\displaystyle \delta ={\frac {c}{\sqrt {8\pi \mu \sigma \nu }}}}$

де ${\displaystyle \delta }$ — глибина скін-шару, с — швидкість світла, ${\displaystyle \mu }$ — магнітна проникність речовини провідника, ${\displaystyle \sigma }$ — електропровідність, ${\displaystyle \nu }$ — лінійна частота.

Густина струму в провіднику спадає від поверхні експоненційно:

${\displaystyle j=j_{0}e^{-x/\delta }\,}$

де j — густина струму, а x — віддаль від поверхні.

За аналогічним законом спадають також напруженість електричного і магнітного полів електромагнітної хвилі.

Глибина скін-шару зменшується зі збільшенням частоти. Якщо при частоті 50 Гц глибина скін-шару в міді становить 0,7 см, то на частоті 0,5 МГц — 0,007 см.

Скін-ефект призводить до збільшення опору провідника високочастотному струму. Це збільшення стає помітним тоді, коли радіус провідника має однаковий порядок величини з глибиною скін-шару. При частоті 1 МГц опір мідного провідника з діаметром 2 мм збільшується майже в 7 разів, а отже збільшуються втрати на нагрівання провідника.

Наслідки скін-ефекту

Скін-ефект призводить до нагрівання провідників у електронних пристроях, зокрема у мікропроцесорах, відтак накладає обмеження на підвищення, наприклад, тактової частоти, на якій працює комп'ютер.

Примітки

1. Не плутати зі скін-фактором
2. Формули на цій сторінці записані в системі СГС (СГСГ). Для перетворення в Міжнародну систему величин (ISQ) дивись Правила переводу формул із системи СГС в систему ISQ.

Джерела

• Сивухин Л. В. (1977). Общий курс физики. Том III. Электричество. Москва: Наука.