Физическая картина возникновения

О скин-эффекте

Oб авторе

Скин-эффект по популярности далеко обошел такие раскрученные бренды современной физики, как «теория относительности», «квантовая механика», «черные дыры» с «темной материей», «бозон Хиггса», «гравитационные волны» и «нейтрино», как в отдельности, так и все вместе взятые. При запросе «скин-эффект» на поисковике Яндекс появляются 14 миллионов ответов, а на модные теории Яндекс выдает всего 2, 2, 3, 2, 1, 1 и 2 миллиона ответов, соответственно.

Почему заурядный физический эффект приобрел такую популярность? Неужели околонаучный мир повернулся к реальности, к изучению настоящих явлений и эффектов? Как-то не заметно, что затянувшаяся мода на фантомы прошла, скорее наоборот. Или об этом эффекте стало известно что-то новое, о чем я и не подозреваю? Вроде бы, нет ничего нового. В объяснении физической причины возникновения скин-эффекта царит полное единодушие в учебниках и в справочниках. В качестве примера ниже даны выдержки из Физической энциклопедии и из Википедии.

Из Физической энциклопедии: «СКИН-ЭФФЕКТ - затухание эл--магн. волн по мере их проникновения в проводящую среду. Переменное во времени электрич. поле Е и связанное с ним магн. поле Н не проникают в глубь проводника, а сосредоточены в осн. в относительно тонком приповерхностном слое толщиной, называемой глубиной скин-слоя. Происхождение С--э. объясняется тем, что под действием внеш. перем. поля в проводнике свободные электроны создают токи, поле к-рых компенсирует внеш. поле в объёме проводника. С--э. проявляется у металлов, в плазме, ионосфере (на коротких волнах), в вырожденных полупроводниках и др. средах с достаточно большой проводимостью».

Из статьи «Скин-эффект» в русскоязычной версии Википедии:

«Объяснение скин-эффекта

Физическая картина возникновения

Физическая картина возникновения скин-эффекта.

Рассмотрим цилиндрический проводник, по которому течёт ток. Вокруг проводника с током имеется магнитное поле, силовые линии которого являются концентрическими окружностями с центром на оси проводника. В результате увеличения силы тока возрастает индукция магнитного поля, а форма силовых линий при этом остаётся прежней. Поэтому в каждой точке внутри проводника производная направлена по касательной к линии индукции магнитного поля и, следовательно, линии также являются окружностями, совпадающими с линиями индукции магнитного поля. Изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции создаёт электрическое индукционное поле, силовые линии которого представляют замкнутые кривые вокруг линии индукции магнитного поля. Вектор напряжённости индукционного поля в более близких к оси проводника областях направлен противоположно вектору напряжённости электрического поля, создающего ток, а в более дальних — совпадает с ним. В результате плотность тока уменьшается в приосевых областях и увеличивается вблизи поверхности проводника, то есть возникает скин-эффект».



Из статьи «Skin effect» в англоязычной версии Википедии:

Cause

Skin depth is due to the circulating eddy currents (arising from a changing H field) cancelling the current flow in the center of a conductor and reinforcing it in the skin.

«Conductors, typically in the form of wires, may be used to transmit electrical energy or signals using an alternating current flowing through that conductor. The charge carriers constituting that current, usually electrons, are driven by an electric field due to the source of electrical energy. An alternating current in a conductor produces an alternating magnetic field in and around the conductor. When the intensity of current in a conductor changes, the magnetic field also changes. The change in the magnetic field, in turn, creates an electric field which opposes the change in current intensity. This opposing electric field is called “counter-electromotive force” (counter EMF). The counter EMF is strongest at the center of the conductor, and forces the conducting electrons to the outside of the conductor, as shown in the diagram on the right.

An alternating current may also be induced in a conductor due to an alternating magnetic field according to the law of induction. An electromagnetic wave impinging on a conductor will therefore generally produce such a current; this explains the reflection of electromagnetic waves from metals.

Regardless of the driving force, the current density is found to be greatest at the conductor's surface, with a reduced magnitude deeper in the conductor. That decline in current density is known as the skin effect and the skin depth is a measure of the depth at which the current density falls to 1/e of its value near the surface. Over 98% of the current will flow within a layer 4 times the skin depth from the surface. This behavior is distinct from that of direct current which usually will be distributed evenly over the cross-section of the wire.



The effect was first described in a paper by Horace Lamb in 1883 for the case of spherical conductors, and was generalised to conductors of any shape by Oliver Heaviside in 1885. … ».

Сразу же бросается в глаза то, что определение скин-эффекта: «затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в проводящую среду…» – это, по сути, эффект поглощения электромагнитных волн веществом (проводником в данном случае), аналог закона Бугера-Ламберта-Бера, расширенный до частот радиодиапазона и ниже. Объяснение же физической причины скин-эффекта относится к совершенно иному эффекту – неравномерному распределению переменного электрического тока по поперечному сечению проводника. Поглощение электромагнитных волн здесь притянуто лишь для того, чтобы получить аналитическое выражение для толщины токового слоя при скин-эффекте. Разберемся со скин-эффектом, как неравномерным распределением переменного электрического тока по поперечному сечению проводника. При этом не будем вдаваться в особые случаи и не применять экзотические материалы. Казалось бы, здесь все ясно и других объяснений «нормального» скин-эффекта в проводниках с электрическим током не требуется. Для неспециалистов и туго думающих специалистов в Википедии для наглядности еще и картинки нарисовали. Действительно, вихревые электрические токи на картинках у краев проводника складываются с первичным электрическим током, а у центра – вихревые электрические токи вычитаются из первичного электрического тока. Все до гениальности просто, однако, забыли про сущие мелочи: скин-эффект – эффект динамический, и вихревые токи отстают по фазе от первичного электрического тока на четверть периода. Если построить графики, иллюстрирующие представленное выше объяснение физической причины скин-эффекта, то при сложении и вычитании первичного и вихревого (вторичного) переменных токов получается следующая картина (см. графики ниже).


На графике слева показана амплитуда первичного переменного электрического тока единичной амплитуды с частотой ω в зависимости от времени t, I=I0Sin(ωt). На графике справа (синим цветом) показана сумма первичного и индуцированного (вторичного) электрического тока на участке поперечного сечения проводника вблизи его поверхности,IΣ=I0Sin(ωt)+ψ I0Cos(ωt). А коричневым цветом на этом же графике справа показана разность первичного и индуцированного электрического тока на участке поперечного сечения проводника вблизи его центральной части, IΔ=I0Sin(ωt)- ψI0Cos(ωt). Здесь ψ – коэффициент, учитывающий потери энергии при индукции вихревых токов (в данном примере ψ =0.5).

При вариации ψ изменяется лишь фаза тока и, в небольших пределах, – амплитуда. При любом фиксированном значении ψ от нуля до единицы переменный электрический ток в центре проводника не исчезает, а его амплитуда не изменяется по сечению проводника. Амплитуда суммы токов равна амплитуде их разности, из чего следует, что электрический ток в середине проводника равен току у его поверхности. Такое вот «объяснение» физической причины скин-эффекта, которое показывает, что скин-эффекта не должно быть в принципе.

А как же выведенная формула для толщины скин-слоя в ферромагнитном проводнике: d =(0.5ωσμ0μ)-1/2, где ω – частота, σ – проводимость, μ0 – магнитная проницаемость вакуума и μ - магнитная проницаемость проводника, которая в какой-то степени соответствует наблюдаемому в технике явлению скин-эффекта?

Когда нет понимания физической сути явления, а само явление уже известно из опыта, то пользуются таким формальным инструментом, как математика. В частности, при выводе формулы для расчета «нормального» скин-эффекта была совершена подмена конечного поперечного сечения проводника бесконечным полупространством, а также отброс тех решений дифференциального уравнения, которые не подходят под заведомо желаемый ответ, но это все технические мелочи. Математический вывод формулы для скин-эффекта через волновое уравнение приведен во многих учебниках и в Википедии. Полученная формула для нормального скин-эффекта всех устраивает, хотя вывод ее осуществлен для совсем другого эффекта (поглощения электромагнитных волн в проводящей среде, причем в дальней зоне излучения). Что это означает? Проводимость и магнитная проницаемость введены в формулу для толщины скин-слоя через так называемый волновой параметр k=2π/λ, который, строго говоря, имеет смысл лишь в дальней зоне, зоне излучения. Дальняя зона начинается на расстоянии, большем 2πλ от излучателя, где λ – длина волны излучения. Это значит, что на частоте 50 Гц (для которой в справочниках обычно приводится толщина скин-слоя для железа и меди) источник излучения должен находиться на расстоянии более 37 тысяч километров от железного или медного проводника, в котором наблюдаем скин-эффект… Казалось бы, в здравом уме такое не придумаешь, но это не выдумки – это обыкновенная математизация физики.

Когда физику заменяют формальной математикой, вопросы физики остаются без объяснения. Какая сила выталкивает электроны к поверхности проводника и почему? Ведь при разделении зарядов по сечению проводника между сердцевиной и краями, что имеет место в скин-эффекте, возникает разность потенциалов и, следовательно, должна появиться сила, стремящаяся возвратить электроны к центру проводника. Может быть, сила со стороны магнитного поля, – сила Лоренца, как-то уравновешивает ситуацию с электронами в проводнике с переменным электрическим током? Действительно, сила Лоренца направлена так, что электроны должны двигаться от центра к поверхности проводника. Но так как при постоянном токе сила Лоренца не оказывает заметного влияния на распределение электронов, то почему она должна вдруг резко увеличиться при повышении частоты электрического тока? Ответа этому в современной неклассической физике нет. Сила Кулона, возникающая между сердцевиной проводника и его поверхностью, в приведенном объяснении скин-эффекта оказывается не скомпенсированной. То есть имеющееся объяснение физической причины скин-эффекта не объясняет причину разделения зарядов по сечению проводника и, тем самым, противоречит третьему закону Ньютона.

Разумное физическое объяснение скин-эффекта на основе классической электродинамики существует, оно давно написано в моей непопулярной книжечке, но в сложившейся системе научных знаний оно никому не нужно. Преподаватели ВУЗов не имеют своего мнения, поскольку лишь транслируют содержимое утвержденных чиновниками учебников, а студенты «проглатывают» не задумываясь и не такое... Подобный уровень понимания у ученых и инженеров, работа которых непосредственно связана с проявлениями скин-эффекта. Вот и появляются всякие «аномальные» скин-эффекты, когда не смогли разобраться с «нормальным». Растут горы «научной» макулатуры и забивается «научным» мусором интернет, где найти крупицы истинного знания становится все труднее.

По какой причине скин-эффект оказался столь популярным в интернете я так и не понял. Для информационной флюктуации – маловероятно, а в качестве нового старого технического чуда – не тянет. Да и объяснение этого эффекта позаимствовано, по-видимому, у известного магистра, барона фон Мюнхаузена. Но физики верят…


2331285598900275.html
2331332341198308.html
    PR.RU™