Skin efekt

Skin efekt (povrchový jev) je fyzikální děj, při kterém dochází k vytlačování elektrického proudu k povrchu vodiče. Elektrický střídavý proud procházející vodičem uzavírá kolem sebe siločáry magnetického (indukčního) toku (též toku magnetické indukce). Část tohoto toku prochází i tím samým vodičem a indukuje v něm uzavřené vířivé proudy. Tyto vířivé proudy mají blíže ke středu vodiče opačný směr než původní elektrický proud a odečítají se od něj, kdežto blíže k povrchu jsou směry souhlasné a proudy se sčítají.

K povrchovému jevu nedochází při průchodu stejnosměrného proudu vodičem, při frekvenci 50 Hz používané v síťových rozvodech je obvykle zanedbatelný. V silnoproudé elektrotechnice využívají skin efekt pro rozběh asynchronní motory s Boucherotovou klecí.

Výrazně se skin efekt projevuje například na vysokofrekvenčních rozvodech vysílačů a u běžných rozvodů televize. Aby byl efekt minimalizován, používají se vlnovody - technicky jde o trubku, u které je třeba maximalizovat povrch, jenž se často dále zušlechťuje pokovením (například stříbrem). Dochází tak k minimalizaci ztrát způsobených vedením proudu pouze v povrchové vrstvě materiálu. Stejný technický princip využívá koaxiální kabel.

Při kmitočtu 50 Hz (průmyslový kmitočet) je zvýšení odporu hliníkových vodičů skin efektem malé - nepředstavuje více než 1,5 %. U měděných vodičů do průřezu 240 mm² nepřesahuje hodnoty větší než 1 %.

Skin efekt je tím větší, čím je větší:

frekvence proudu.
průřez vodiče
vodivost materiálu vodiče
relativní permeabilita materiálu vodiče

Poměr odporu při průchodu střídavého proudu a odporu při průchodu stejnosměrného proudu vodičem můžeme zohlednit součinitelem zvětšení odporu.

R=\varkappa \cdot r

Kde $R$ je odpor vodiče při průchodu střídavého proudu, $\varkappa$ (Kappa) součinitel zvětšení odporu, a $r$ odpor při průchodu stejnosměrného proudu.

Hloubka vniku

Střídavá proudová hustota J ve vodiči exponenciálně klesá od hodnoty J_S na povrchu vodiče až k hodnotě v hloubce d:

J=J_{\mathrm {S} }\,e^{-{d/\delta }}

kde koeficient δ se nazývá hloubka vniku. Hloubka vniku je tedy definována jako hloubka pod povrchem vodiče, kde proudová hustota klesne na 1/e (asi 0,37) J_S. Obvykle se odhaduje jako:

\delta ={\sqrt {{2} \over {\omega \mu \gamma }}}

.

kde

\gamma

= konduktivita (měrná vodivost)

ω = úhlová rychlost proudu = 2π × frekvence

μ = absolutní magnetická permeabilita vodiče

Permeabilitu μ lze určit z relativní permeability $\mu _{r}$ vynásobením $\mu _{0}$ , tj. permeabilitou vakua: $\mu =\mu _{0}\cdot \mu _{r}$ .

Tento výpočet hloubky vniku platí pouze pro dobré elektrické vodiče, u špatných vodičů se skin efekt téměř neuplatňuje.

Odpor vodiče

Efektivní odpor vodiče při skin efektu (když je výrazně tlustší než δ) odpovídá tomu, jako by proud procházel pouze vrstvou s tloušťkou δ. Můžeme tedy zhruba uvažovat průřez δ krát průměr vodiče. Válcový vodič s průměrem D velkým ve srovnání s δ má odpor přibližně rovný válcové trubce s tloušťkou stěny δ. Při měrném odporu vodiče $\rho$ platí pro odpor při průchodu střídavého proudu vodičem délky L:

R\approx {{L\rho } \over {\pi (D-\delta )\delta }}\approx {{L\rho } \over {\pi D\delta }}

Druhá aproximace předpokládá $D\gg \delta$ .

Někdy se pro součinitel zvětšení odporu $\varkappa$ uvádí také vztah

\varkappa =0,5d{\sqrt {\frac {\mu _{r}\cdot f}{\varrho }}}+0,2

Kde d je průměr vodiče [mm], μ_r je relativní permeabilita, f frekvence [Hz] a ϱ měrný odpor daného materiálu vodiče [Ohm·mm²/km]

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu skin efekt na Wikimedia Commons