Это нужно знать

Общий перечень знаний –
на этой странице



Скин-эффект в проводнике

Что такое скин-эффект и как он влияет на сопротивление провода? Онлайн калькуляторы расчёта глубины скин-эффекта, а также сопротивления проводника с учётом поверхностного эффекта

Скин-эффект в проводнике
Довольно часто при изготовлении высокодобротной катушки индуктивности либо мощного импульсного трансформатора разработчик сталкивается с тем, что практические результаты существенно не совпадают с проведёнными расчётами.
Давайте разберёмся – а из-за чего, собственно говоря, такое может происходить?

При протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри образуется магнитный поток (В), силовые линии которого перпендикулярны оси проводника.

Рис.1 Скин-эффект в проводнике

За счёт электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле (Е), причём на поверхности проводника вектор напряжённости электрического поля направлен по направлению тока проводника, а внутри проводника – противоположно (Рис.1).
Именно это явление и получило название поверхностного эффекта или скин-эффекта. Приведём формулировку:

Скин-эффект или поверхностный эффект – это эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн, а соответственно, и тока в зависимости от степени их проникновения внутрь среды проводника. А это означает то, что переменный электрический ток циркулирует по большей части в области поверхности провода, причём глубина его проникновения внутрь проводника тем больше, чем ниже частота протекающего тока. При постоянном протекающем токе скин-эффект сходит на нет и никак себя не проявляет.
Рассмотрим это явление в виде поясняющих картинок:

 Распределение плотности тока в цилиндрическом проводнике Зависимость глубины проникновения тока от частоты Рис.2 Распределение плотности тока в цилиндрическом проводнике и
зависимость глубины проникновения от частоты


Распределение тока внутри проводника имеет экспоненциальный характер, поэтому в первом приближении можно считать, что электрический ток имеет относительно равномерную зависимость только в поверхностном слое, называемым скин-слоем, а в остальном сечении настолько мал, что им можно пренебречь.

Толщина скин-слоя (обозначается δ или Δ) – это глубина, на которой плотность тока внутри проводника уменьшается в е = 2,71828 раз (до 37% от поверхностной). Численно эта величина равна:
Толщина скин-слоя - формула , где

с – это скорость света: 299 792 458 м/с,
ε0 – электрическая постоянная 8,85419⋅10−12 Ф/м,
ρ – удельное сопротивление проводника,
ω = 2πf – круговая (циклическая) частота,
μr – относительная магнитная проницаемость, которая для всех диамагнетиков и парамагнетиков, таких как: алюминий, медь, олово, свинец, цинк, серебро, золото и т. д., с точностью до трёх знаков после запятой равна 1.

Для проверки формул приведём онлайн калькулятор по расчёту толщины скин-слоя, но для начала:

Таблица значений удельного сопротивления некоторых металлов

Металл Удельное сопротивл. Ом*мм2/м Металл Удельное сопротивл. Ом*мм2/м Металл Удельное сопротивл. Ом*мм2/м
Медь 0,0172...0,018 Серебро 0,015...0,0162 Нихром 1,05...1,4
Алюминий 0,026...0,0295 Платина 0,107 Латунь 0,025...0,108
Сталь 0,103...0,137 Цинк 0,059 Бронза 0,095...0,1
Олово 0,12 Железо 0,098 Золото 0,023
Свинец 0,217...0,227 Никель 0,087 Вольфрам 0,053...0,055


А теперь: Онлайн расчёт толщины скин-слоя

 Частота, f
 Удельное сопротивление, ρ (Ом*мм2/м) 
 Относит. магнитная проницаемость, μr
  
 Толщина (глубина) скин-слоя, δ (мм)

Определение изменённого (по сравнению с постоянным током) значения сопротивления проводника, работающего в условиях протекания по нему переменного тока, дело куда более сложное, чем расчёт толщины скин-слоя. Большинство отечественных источников отсылает нас к функциям Бесселя и уравнениям Максвелла. Однако, как и во многих других случаях, на помощь приходят зарубежные источники, которые приводят простой и наглядный график отношения сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса круглого провода к глубине скин-слоя:

Зависимость сопротивления проводника от скин-эффекта

Рис.3 Зависимость отношения сопротивления круглого проводника переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса к глубине скин-слоя

Если задаться сопротивлением проводника постоянному току, которое можно легко рассчитать по формуле R = ρ*l/S или на калькуляторе на странице [ссылка на страницу], а также глубиной скин-эффекта, то приведённый график позволит без всяких уравнений Бесселя и Максвелла найти искомое сопротивление переменному току.
Методом аппроксимации данный график можно описать функциями и для удобства дополнить его онлайн калькулятором.

Онлайн расчёт отношения сопротивлений провода постоянному и переменному току

 Диаметр провода, d (мм)
 Глубина скин-слоя, δ (мм)
  
 Отношение R/δ
 Отношение Rперемен/Rпостоян 


 

Главная страница | Наши разработки | Полезные схемы | Это нужно знать | Вопросы-ответы | Весёлый перекур
© 2017 Vpayaem.ru   All Rights Reserved

     
     

Скин-эффект в проводнике

Что такое скин-эффект и как он влияет на сопротивление провода? Онлайн калькуляторы расчёта глубины скин-эффекта, а также сопротивления проводника с учётом поверхностного эффекта

Скин-эффект в проводнике
Довольно часто при изготовлении высокодобротной катушки индуктивности либо мощного импульсного трансформатора разработчик сталкивается с тем, что практические результаты существенно не совпадают с проведёнными расчётами.
Давайте разберёмся – а из-за чего, собственно говоря, такое может происходить?

При протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри образуется магнитный поток (В), силовые линии которого перпендикулярны оси проводника.

Рис.1 Скин-эффект в проводнике

За счёт электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле (Е), причём на поверхности проводника вектор напряжённости электрического поля направлен по направлению тока проводника, а внутри проводника – противоположно (Рис.1).
Именно это явление и получило название поверхностного эффекта или скин-эффекта. Приведём формулировку:

Скин-эффект или поверхностный эффект – это эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн, а соответственно, и тока в зависимости от степени их проникновения внутрь среды проводника. А это означает то, что переменный электрический ток циркулирует по большей части в области поверхности провода, причём глубина его проникновения внутрь проводника тем больше, чем ниже частота протекающего тока. При постоянном протекающем токе скин-эффект сходит на нет и никак себя не проявляет.
Рассмотрим это явление в виде поясняющих картинок:

 Распределение плотности тока в цилиндрическом проводнике Зависимость глубины проникновения тока от частоты Рис.2 Распределение плотности тока в цилиндрическом проводнике и
зависимость глубины проникновения от частоты


Распределение тока внутри проводника имеет экспоненциальный характер, поэтому в первом приближении можно считать, что электрический ток имеет относительно равномерную зависимость только в поверхностном слое, называемым скин-слоем, а в остальном сечении настолько мал, что им можно пренебречь.

Толщина скин-слоя (обозначается δ или Δ) – это глубина, на которой плотность тока внутри проводника уменьшается в е = 2,71828 раз (до 37% от поверхностной). Численно эта величина равна:
Толщина скин-слоя - формула , где

с – это скорость света: 299 792 458 м/с,
ε0 – электрическая постоянная 8,85419⋅10−12 Ф/м,
ρ – удельное сопротивление проводника,
ω = 2πf – круговая (циклическая) частота,
μr – относительная магнитная проницаемость, которая для всех диамагнетиков и парамагнетиков, таких как: алюминий, медь, олово, свинец, цинк, серебро, золото и т. д., с точностью до трёх знаков после запятой равна 1.

Для проверки формул приведём онлайн калькулятор по расчёту толщины скин-слоя, но для начала:

Таблица значений удельного сопротивления некоторых металлов

Металл Удельное сопротивл. Ом*мм2/м Металл Удельное сопротивл. Ом*мм2/м Металл Удельное сопротивл. Ом*мм2/м
Медь 0,0172...0,018 Серебро 0,015...0,0162 Нихром 1,05...1,4
Алюминий 0,026...0,0295 Платина 0,107 Латунь 0,025...0,108
Сталь 0,103...0,137 Цинк 0,059 Бронза 0,095...0,1
Олово 0,12 Железо 0,098 Золото 0,023
Свинец 0,217...0,227 Никель 0,087 Вольфрам 0,053...0,055


А теперь: Онлайн расчёт толщины скин-слоя

 Частота, f
 Удельное сопротивление, ρ (Ом*мм2/м) 
 Относит. магнитная проницаемость, μr
  
 Толщина (глубина) скин-слоя, δ (мм)

Определение изменённого (по сравнению с постоянным током) значения сопротивления проводника, работающего в условиях протекания по нему переменного тока, дело куда более сложное, чем расчёт толщины скин-слоя. Большинство отечественных источников отсылает нас к функциям Бесселя и уравнениям Максвелла. Однако, как и во многих других случаях, на помощь приходят зарубежные источники, которые приводят простой и наглядный график отношения сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса круглого провода к глубине скин-слоя:

Зависимость сопротивления проводника от скин-эффекта

Рис.3 Зависимость отношения сопротивления круглого проводника переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса к глубине скин-слоя

Если задаться сопротивлением проводника постоянному току, которое можно легко рассчитать по формуле R = ρ*l/S или на калькуляторе на странице [ссылка на страницу], а также глубиной скин-эффекта, то приведённый график позволит без всяких уравнений Бесселя и Максвелла найти искомое сопротивление переменному току.
Методом аппроксимации данный график можно описать функциями и для удобства дополнить его онлайн калькулятором.

Онлайн расчёт отношения сопротивлений провода постоянному и переменному току

 Диаметр провода, d (мм)
 Глубина скин-слоя, δ (мм)
  
 Отношение R/δ
 Отношение Rперемен/Rпостоян 


  ==================================================================