Скин-эффект - это электромагнитное явление, при котором ток протекает через поверхность проводника только при высоких частотах. Это электромагнитное явление присутствует во всех проводниках, по которым течет переменный ток. Поэтому плотность тока уменьшается с удалением от внешней поверхности проводника.
Другими словами, скин-эффект состоит только из переменного тока, протекающего по поверхности проводника. Глубина проникновения тока математически выражается следующим образом
δ = (kfμc)-1/2
Здесь f - частота изменения электрического поля, μ - магнитная проницаемость, c - удельная электропроводность и k - константа.
Чем выше частота тока или чем выше скорость изменения тока во времени, тем сильнее скин-эффект.
На микроволновых частотах ток проходит через тонкий поверхностный слой проводника и проникает на глубину, не превышающую в несколько раз межмолекулярное расстояние (внутри проводника магнитное поле отсутствует).
Поверхностный скин-эффект уменьшает площадь поперечного сечения проводника, тем самым увеличивая сопротивление проводника и уменьшая его индуктивность.
Определение скин-эффекта.
Электроны, движущиеся у поверхности проводника и участвующие в токе, меньше подвержены влиянию магнитного потока от других движущихся электронов, чем электроны, находящиеся в глубине проводника.
Это происходит потому, что поверхностные электроны подвержены влиянию соседних электронов только с одной стороны, в то время как глубокие электроны окружены соседними электронами со всех сторон. На глубокие электроны, которые участвуют в образовании переменного тока, воздействует более сильное магнитное поле, что приводит к увеличению силы Ленца.
Если посмотреть на эту ситуацию под другим углом, то можно увидеть, что глубокие электроны характеризуются большей взаимной индуктивностью с соседними электронами по сравнению с поверхностными электронами.
В результате электроны у поверхности проводника с большей вероятностью изменят свое движение, чем электроны, находящиеся глубже.
Поскольку носители всегда выбирают оптимальную траекторию (соответствующую условию минимума энергии), носители, формирующие переменный ток, в этом случае направляются боковыми силами Ленца в область минимальной взаимной индукции, т.е. к поверхности проводника.
Градиент индуктивности внутри проводника изменяет фазовый угол в поперечном сечении проводника. Нельзя даже исключить, что направление движения электронов может быть обратным в разных частях одного и того же тела.
Аналогичное явление наблюдается в эффекте близости, который использует перераспределение носителей заряда, ответственных за переменный ток, при сближении двух проводников.
Носители заряда, движущиеся в одном проводнике, создают силу, которая действует на носители в другом проводнике на близком расстоянии. Это заставляет носители заряда в каждом проводнике перемещаться в положение, при котором их взаимная индуктивность минимальна.
Из-за скин-эффекта и эффекта близости носители перераспределяются, что соответствует уменьшению площади поперечного сечения проводника, по которому течет ток. Это приводит к увеличению сопротивления проводника; чем выше сопротивление, тем выше частота переменного тока.
В воздушных линиях электропередачи выше 330 кВ фазные проводники состоят из нескольких проводов, подвешенных параллельно на определенном расстоянии. Такие фазные проводники называются расщепленными: одиночные линии, использующие одинаковое количество металла на километр, имеют более высокие потери из-за скин-эффекта.
В пролетах линий передачи с расщепленной фазой используются распорки для предотвращения столкновений, ударов или изгибов отдельных фазных проводников.
Эффект оболочки также позволяет передавать по воздушным линиям высокочастотные сигналы для систем телеметрии и связи (такие системы позволяют управлять сетевым оборудованием на больших расстояниях).
Хотя эти сигналы передаются на высоких частотах, они проходят через поверхность провода, а основная передача энергии происходит внутри провода на более низкой частоте (50 Гц).
В современной сверхвысокочастотной технологии многие компоненты (волноводы, коаксиальные линии) покрываются тонким, хорошо обработанным слоем серебра, поскольку сопротивление почти исключительно обусловлено поверхностным слоем.
Эффект поверхностного слоя используется в оборудовании для индукционной закалки, чтобы металл можно было нагреть на необходимую глубину. Это достигается путем регулировки частоты напряжения индуктора (чем выше частота, тем меньше слой металла, нагреваемый при закалке).