Erklärung des Hauteffekts

Ich verstehe einige Dinge über den Skin-Effekt nicht.

Seine Wikipedia-Definition lautet:

Der Skin-Effekt ist die Tendenz eines elektrischen Wechselstroms (AC), sich innerhalb eines Leiters so zu verteilen, dass die Stromdichte nahe der Oberfläche des Leiters am größten ist und mit größerer Tiefe im Leiter abnimmt. Der elektrische Strom fließt hauptsächlich an der „Haut“ des Leiters, zwischen der äußeren Oberfläche und einer Ebene, die als Hauttiefe bezeichnet wird. Der Skin-Effekt bewirkt, dass der effektive Widerstand des Leiters bei höheren Frequenzen mit geringerer Skin-Tiefe zunimmt, wodurch der effektive Querschnitt des Leiters verringert wird.

Jetzt habe ich zwei Fragen:

  1. Können Sie mir Schritt für Schritt den „vektoriellen“ Grund des Skin-Effekts erklären? Wenn ich mir dieses Bild und die elektrischen und magnetischen Feldlinien anschaue, sehe ich die Ursache des Skin-Effekts nicht.

    Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  2. Um den Skin-Effekt zu quantifizieren, verwenden wir die Skin-Tiefe δ . Aber aus Elektromagnetismus-Grundkursen weiß ich, dass es definiert ist als die Tiefe unter der Oberfläche des Leiters, um die eine elektromagnetische einfallende Welle reduziert wurde 1 / e , und es ist 0 für einen perfekten elektrischen Leiter, der als perfekte Reflexionsfläche wirkt.

Ich verstehe also nicht, warum die so definierte Skin-Tiefe mit dem Skin-Effekt gemäß der ursprünglichen Definition des letzten zusammenhängt. Das ist die Verbindung zwischen diesen beiden Phänomenen (das Eindringen einer einfallenden EM-Welle in einen realen Leiter und die Tendenz eines Wechselstroms, nahe der Oberfläche eines Leiters zu fließen).

Ich werde versuchen, die Dinge qualitativ zu erklären, aber ich versichere Ihnen, dass es fast immer einfacher ist, die Physik quantitativ zu verstehen, dh mit Mathematik.

Antworten (1)

1) In der Abbildung für jeden Radius R , die induzierten Ströme ICH w sind mit dem Hauptstrom ausgerichtet ICH , und verstärken sich daher gegenseitig, für alle Punkte mit R > R und reduzieren sich gegenseitig für R < R . Dies bedeutet, dass, wenn die Ströme tatsächlich in die in der Abbildung angegebenen Richtungen fließen, die Nettostromstärke in der Mitte des Drahtes abnimmt und zu den äußeren Teilen verschoben wird.

Da die Beziehung zwischen ICH w Und ICH enthalten ω als Multiplikand drückt sich der Strom mit zunehmender AC-Frequenz immer mehr auf die Haut (dank der zeitlichen Ableitung im Faradayschen Gesetz).

2) Eigentlich wird das, was Sie als Skin-Tiefe in Erinnerung haben, als Penetrationstiefe bezeichnet .

Aber es gibt einige Ähnlichkeiten: Die Maxwell-Gleichungen haben die gleiche Form ( ρ ≠ 0 , optional ϵ > 1 ,   μ ≠ 1 ) für jeden nicht idealen Leiter außer den externen Feldern. Die Gleichungen werden gelöst, um zu zeigen, dass unter diesen Annahmen die Felder innerhalb des Leiters einen exponentiellen Abfall zeigen (das ist wirklich lustig abzuleiten).

Bei einer externen elektromagnetischen Welle kommt die einfallende Welle von außerhalb des Drahtes und versucht, das Medium zu durchdringen. Für die Leitung wird das System jedoch extern durch einen Strom getrieben . Daher geht der Strom in einem Draht unter den Skin-Effekt und ein EMW hat eine Eindringtiefe .

Vielen Dank, jetzt ist alles klar!
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