Когда-то давным-давно Бенджамин Франклин провел интересный эксперимент. Он наэлектризовал свою металлическую кружку и затем опустил в неё металлический шарик без заряда. Шарик не притягивался к стенкам кружки. После этого экспериментальный образец был поднесен к металлическим стенкам кружки снаружи и выяснилось, что там он начинает притягиваться.
Обнаруженный результат мог означать только одно - внутри кружки напряженность электрического поля отсутствует.
Но кружка пустая внутри. Причём тут вообще сплошной провод? Эксперименты, проведенные позже, подтвердили что:
Избыточный заряд распределяется на полом проводнике так же, как и на сплошном, т.е. по его наружной поверхности. На внутренней поверхности избыточные заряды располагаться не могут с физической точки зрения.
Позже Фарадей повторил этот эксперимент, а затем предложил и свою знаменитую клетку Фарадея.
Затем был обнаружен ещё один интересный физический эффект. Речь идёт про скин-эффект, который описывает уменьшение амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения внутрь. Скин-эффект появляется там, где есть переменный ток. Но и для постоянного тока существуют некоторые закономерности относительно толщины проводника. Меняется плотность тока по площади сечения.
Как всё это объяснить?
Как выходит, что все виды "электричества" не могут равномерно работать внутри всего рассматриваемого объекта? Ведь можно обобщенно сказать, что внутри проводника электрического тока нет! Ну или почти нет.
Ответ на этот вопрос сильно зависит от рода рассматриваемого явления.
Почему заряд именно на поверхности?
В случае с электрическим полем, зарядом и опытом про кружку, эффект довольно интересен с физической точки зрения. Его можно было бы в полной мере описать законом Гаусса. Описать, но не объяснить.
Физическое объяснение вполне разумное. Пока нет никакого поля, материал находится в этаком балансе. Частицы живут своей обычной жизнью. Перемещаются и колеблются.
Такое тело попадает в электрическое поле. Существует этакий закон Кулона, который рассказывает нам, что одноименные заряды отталкиваются.
Поскольку поле электрическое, отталкивает оно электроны :)...Электронный газ (в случае металла), состоящий из группы электронов, отталкивается от электрического поля и эти частицы как ветром сдувает с насиженных мест. Они перемещаются по сечению проводника до тех пор, пока не достигнут его границы. У границы они остановятся, а заодно произойдет накопление заряда на поверхности. К счастью, электрическое поле не способно выдергивать электроны из структуры проводника, поскольку если бы такое было, то простым электрическим полем можно было бы аннигилировать проводники.
Простое описание скин-эффекта при переменном токе
В случае с переменным током, электрический ток тоже стремиться переместиться именно к поверхности проводника. Это и будет скин-эффектом. Его объяснение довольно мудреное, но попробуем упростить.
Вспомните, откуда вообще берется электрический ток в проводнике. Ток - это упорядоченное направленное движение заряженных частиц, которое вызвано внешним электрическим полем. Логично предположить, что такому полю гораздо проще заставить перемещаться электроны у поверхности проводника, нежели ближе к их центру. Соответственно, и току выгоднее перемещаться по поверхности. Но есть ещё один важный момент, который мы упустили. Посмотрите на схемку:
Всегда, когда речь идёт про переменный ток, появляется и магнитное поле. Линии его напряженности отмечены синим на картинке. Магнитное поле порождает электрическое и наоборот. В данном случае силовые линии, порождаемые магнитным полем, будут направлены так, как показано красными кольцами.
Обратите внимание, что внутри проводника возникающее поле направлено против направления тока I, а снаружи - со направлено.
В итоге снаружи току течь проще, так как он идёт по течению, а внутри - сложнее. К слову, толщина поверхности, по которой идёт ток будет зависеть от частоты этого тока.
Распределение тока по сечению при постоянном токе
При постоянном токе скин-эффект не работает. Ведь нет переменных взаимодействий, где одно вечно и многократно порождает другое. Вспомним опыты Фарадея.
Но это не означает, что при постоянном токе плотность тока по всему сечению провода будет одинаковой. Тут тоже есть сюрприз. Тут работает старый добрый закон Ома.
При прохождении тока проводник нагревается согласно закону Джоуля-Ленца. Логично, что теплоотвод идет с поверхности проводника более интенсивно, нежели из его глубинных слоёв. Внешний слой становится более холодным. Ну а согласно закону Ома, чем выше температура, тем выше сопротивление. В итоге сопротивление по сечению проводника распределено не равномерно. Значит, ток будет легче проходить по более холодной части проводника.
В случае постоянного тока его плотность неравномерно распределена по сечению проводника.
Само собой, что вклад тут меньший, нежели при скин-эффекте, но он тоже присутствует.
Обязательно подписывайтесь, лайкайте и возвращайтесь за новым контентом на проект! Материалы выходят у меня регулярно!
Не забывайте читать новые статьи на сайте проекта
- Много эксклюзивов выходит на телеге проекта
