Затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в проводящую среду. Переменное во времени электрическое поле Е и связанное с ним магнитное поле H не проникают в глубь проводника, а сосредоточены в основном в относительно тонком приповерхностном слое толщиной ð, называемой глубиной скин-эффекта. Происхождение скин-слоя объясняется тем, что под действием внешнего переменного поля в проводнике свободные электроны создают токи, поле которых компенсирует внеш. поле в объёме проводника скин-эффекта проявляется у металлов, в плазме, ионосфере (на коротких волнах), в вырожденных полу проводниках и др. средах с достаточно большой проводимостью.
Глубина скин-эффекта существенно зависит от проводимости а, частоты электромагнитного поля w, от состояния поверхности. На малых частотах δ велика, убывает с ростом частоты и для металлов на частотах оптического диапазона оказывается сравнимой с длиной волны λ~10^-5см.
Столь малым проникновением электромагнитного поля и почти полным его отражением объясняется металлический блеск хороших проводников. На ещё больших частотах, превышающих плазменную частоту, проводниках оказывается возможным распространение электромагнитных волн. Их затухание определяется как внутризонными, так и межзонными электронными переходами.
Теоретическое описание скин-эффекта сводится к решению кинетического уравнения для носителей заряда с целью определения связи тока с полем и последующему решению Максвелла уравнений. Наиб, просто описывается т. н. нормальный скин-эффект, который имеет место, когда δ велика по сравнению с эффективной длиной свободного пробега l электронов. Величина l определяется расстоянием, проходимым электроном за время τ между 2 актами рассеяния (t– время релаксации) либо за период поля 1/w в зависимости от того, какая из этих длин меньше.

где v – скорость электрона.

При нормальном распределение поля в проводнике зависит лишь от дифференциальной проводимости о, отличие которой от проводимости на постоянном токе σ₀ учитывается (для изотропной среды) соотношением σ = σ₀/(1-iwτ); оно зависит также от формы поверхности образца. Проводимость связана с диэлектрической проницаемостью ε среды соотношением

где ε₀ – вклад в диэлектрическую проницаемость локализованных электронных состояний (диэлектрическая проница¬емость ионной решетки).
Скин-эффект существенно сказывается на зависимости сопротивления провода от его радиуса. В то время как на постоянном токе сопротивление провода R длины L обратно пропорционально площади сечения

на переменном токе в предельном случае, когда ток течёт в очень тонком приповерхностном слое (σ<<t₀), сопротивление обратно пропорционально длине окружности

В пределе НЧ, когда можно не учитывать частотную дисперсию σ, а так же принебречь коэффициентом преломления

С повышением частоты в ИК-области для металлов при условии (t>>1/w ) проводимость

где w_p - плазменная частота электронов. В этом диапазоне глубина скин-слоя , т. е. не зависит от частоты и выражается через концентрацию электронов и их эффективную массу m. В этом же диапазоне коэффициент n мал по сравнению с и взаимодействие электронов с поверхностью образца существенно влияет как на n, так и на поглощение энергии, пропорциональное мнимой части. Сталкиваясь с поверхностью, электроны рассеиваются на статичических неоднородностях и тепловых поверхностных колебаниях. Аномальный скин-эффект описывает ситуацию при l >σ ; он наблюдается в СВЧ-диапазоне в чистых металлах при низких температуpax. Связь между плотностью тока и полем E является здесь нелокальной, т.е. значение тока в некоторой точке проводника определяется полем в окрестности этой точки с размером l. Задача о распределении поля сводится к интегро-дифференциальному уравнению, решение которого даёт, в частности, асимптотический закон убывания поля E. Наряду с компонентой, убывающей на расстоянии от поверхности, наблюдается медленное убывание на расстоянии l. Выражение для в этом случае иное.

При аномальном скин-эффекте рассеяние электронов на поверхности образца мало сказывается на величине σ. Здесь существенную роль играют электроны с малыми углами скольжения, для которых отражение близко к зеркальному. Заметно влияет на аномальный скин-эффект пост. Магнитное поле Н, параллельное поверхности. Электроны, закручиваемые магнитным полем, при зеркальном отражении многократно сталкиваются с поверхностью образца и долгое время двигаются в пределах скин-слоя. Это приводит к росту проводимости и уменьшению глубины скин-слоя

где r_L – ларморовский радиус; предполагается r_L >σ . Другие электроны, не сталкивающиеся с поверхностью, возвращаются в скин-слой после каждого оборота вокруг магнитного поля, благодаря чему в металлах наблюдается циклотронный резонанс.
Более точный количественный смысл как при нормальном, так и аномальном скин-эффекте (в отличие от σ) имеет поверхностный импеданс z. В НЧ-области нормального скин-эффекта

и уменьшается с температурой T, т. к. растёт σ₀. Для предельно аномального скин-эффекта импеданс

где параметр В определяется спектром электронов в изотропном приближении.

 

***

Традиционно термином "скин-эффект" обозначают хорошо известный эффект динамической природы. Термином "статический скин-эффект" обозначают сосредоточение постоянного тока вблизи поверхности металла, находящегося в сильном магнитном поле (не меньше 100 Тл). Природа этого эффекта такова. Электроны проводимости, находящиеся далеко от поверхности, двигаясь по окружностям в магнитном поле, не могут дать существенного вклада в общий ток. Приповерхностные электроны гораздо эффективнее движутся вдоль тянущего электрического поля (на рисунке показан случай зеркального отражения электронов от границы).
 

Скин-эффект (поверхностный эффект) – эффект затухания электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток, при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Скин-эффект вызван возникновением вихревых токов в проводящей среде при распространении через нее электромагнитной волны. В результате этого в среде возникают потери энергии, что приводит к уменьшению напряжённостей электрического и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию волны.
С увеличением частоты переменного тока скин-эффект проявляется все более явно, что заставляет учитывать его при конструировании и расчетах электрических схем. Например, вместо обычных медных проводов могут применяться медные провода, покрытые тонким слоем серебра. Серебро обладает наибольшей проводимостью среди всех металлов, и тонкий его слой, в котором благодаря скин-эффекту и протекает большая часть тока, оказывает сильное влияние на общее сопротивление проводника. Несмотря на применение метода в аудиоаппаратуре, он очень спорный, так как частоты в аудиоаппаратуре далеки от тех, на которых этот эффект может проявиться. Удельные сопротивления меди и серебра отличаются менее чем на 5%.
На скин-эффекте основано действие взрывомагнитных генераторов (ВМГ), взрывомагнитных генераторов частоты (ВМГЧ) и в частности ударно-волновых излучателей (УВИ).

 

***

Скин-эффект (от англ. skin – кожа, оболочка), поверхностный эффект, затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате которого, например, переменный ток по сечению проводника или переменный магнитный поток по сечению магнитопровода распределяются не равномерно, а преимущественно в поверхностном слое. Скин-эффект обусловлен тем, что при распространении электромагнитной волны в проводящей среде возникают вихревые токи, в результате чего часть электромагнитной энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к уменьшению напряжённостей электрического и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию волны.
Чем выше частота n электромагнитного поля и больше магнитная проницаемость m проводника, тем сильнее (в соответствии с Максвелла уравнениями) вихревое электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, а чем больше проводимость а проводника, тем больше плотность тока и рассеиваемая в единице объёма мощность (в соответствии с законами Ома и Джоуля – Ленца). Т. о., чем больше n, m и s, тем сильнее затухание, т. е. резче проявляется скин-эффект.
В случае плоской синусоидальной волны, распространяющейся вдоль оси х в хорошо проводящей, однородной, линейной среде (токами смещения по сравнению с токами проводимости можно пренебречь), амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей затухают по экспоненциальному закону:
В идеальный проводник (с бесконечно большой проводимостью) электромагнитная волна вовсе не проникает, она полностью от него отражается. Чем меньше расстояние, которое проходит волна, по сравнению с d, тем слабее проявляется скин-эффект.
Для проводников при сильно выраженном скин-эффекте, когда радиус кривизны сечения провода значительно больше d и поле в проводнике представляет собой плоскую волну, вводят понятие поверхностного сопротивления проводника Z_s (поверхностного импеданса). Его определяют как отношение комплексной амплитуды падения напряжения на единицу длины проводника к комплексной амплитуде тока, протекающего через поперечное сечение скин-слоя единичной длины.
В тех случаях, когда длина свободного пробега l носителей тока становится больше толщины d скин-слоя (например, в очень чистых металлах при низких температурах), при сравнительно высоких частотах скин-эффект приобретает ряд особенностей, благодаря которым он получил название аномального. Поскольку поле на длине свободного пробега электрона неоднородно, ток в данной точке зависит от значения электрического поля не только в этой точке, но и в её окрестности, имеющей размеры порядка l. Поэтому при решении уравнений Максвелла вместо закона Ома приходится использовать для вычисления тока кинетическое уравнение Больцмана. Электроны при аномальном скин-эффекте становятся неравноценными с точки зрения их вклада в электрический ток; при l >> d основной вклад вносят те из них, которые движутся в скин-слое параллельно поверхности металла или под очень небольшими углами к ней и проводят, т. о., больше времени в области сильного поля (эффективные электроны). Затухание электромагнитной волны в поверхностном слое по-прежнему имеет место, но количественные характеристики у аномального скин-эффекта несколько иные. Поле в скин-слое затухает не экспоненциально.
В инфракрасной области частот электрон за период изменения поля может не успеть пройти расстояние l. При этом поле на пути электрона за период можно считать однородным. Это приводит опять к закону Ома, и скин-эффект снова становится нормальным. Т. о., на низких и очень высоких частотах скин-эффект всегда нормальный. В радиодиапазоне в зависимости от соотношений между l и d могут иметь место нормальный и аномальный скин-эффект.
Скин-эффект часто нежелателен. В проводах переменный ток при сильном скин-эффекте протекает главным образом по поверхностному слою; при этом сечение провода не используется полностью, сопротивление провода и потери мощности в нём при данном токе возрастают. В ферромагнитных пластинах или лентах магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и других устройств переменный магнитный поток при сильном скин-эффекте проходит главным образом по их поверхностному слою; вследствие этого ухудшается использование сечения магнитопровода, возрастают намагничивающий ток и потери в стали. "Вредное" влияние скин-эффекта ослабляют уменьшением толщины пластин или ленты, а при достаточно высоких частотах – применением магнитопроводов из магнитодиэлектриков.
С другой стороны, скин-эффект находит применение в практике. На скин-эффекте основано действие электромагнитных экранов. Так для защиты внешнего пространства от помех, создаваемых полем силового трансформатора, работающего на частоте 50 Гц, применяют экран из сравнительно толстой ферромагнитной стали; для экранирования катушки индуктивности, работающей на высоких частотах, экраны делают из тонкого слоя Al. На скин-эффекте основана высокочастотная поверхностная закалка стальных изделий.



 

С увеличением частоты переменного тока скин-эффект проявляется все более явно, что заставляет учитывать его при конструировании и расчетах электрических схем. Например, вместо обычных медных проводов могут применяться медные провода, покрытые тонким слоем серебра. Серебро обладает наибольшей проводимостью среди всех металлов, и тонкий его слой, в котором благодаря скин-эффекту и протекает большая часть тока, оказывает сильное влияние на общее сопротивление проводника. Несмотря на применение метода в аудиоаппаратуре, он очень спорный, так как частоты в аудиоаппаратуре далеки от тех, на которых этот эффект может проявиться. Удельные сопротивления меди и серебра отличаются менее чем на 5%.
На скин-эффекте основано действие взрывомагнитных генераторов (ВМГ), взрывомагнитных генераторов частоты (ВМГЧ) и в частности ударно-волновых излучателей (УВИ).

 

***

Скин-эффект часто нежелателен. В проводах переменный ток при сильном скин-эффекте протекает главным образом по поверхностному слою; при этом сечение провода не используется полностью, сопротивление провода и потери мощности в нём при данном токе возрастают. В ферромагнитных пластинах или лентах магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и других устройств переменный магнитный поток при сильном скин-эффекте проходит главным образом по их поверхностному слою; вследствие этого ухудшается использование сечения магнитопровода, возрастают намагничивающий ток и потери в стали. "Вредное" влияние скин-эффекта ослабляют уменьшением толщины пластин или ленты, а при достаточно высоких частотах – применением магнитопроводов из магнитодиэлектриков.
С др. стороны, скин-эффект находит применение в практике. На скин-эффекте основано действие электромагнитных экранов. Так для защиты внешнего пространства от помех, создаваемых полем силового трансформатора, работающего на частоте 50 Гц, применяют экран из сравнительно толстой ферромагнитной стали; для экранирования катушки индуктивности, работающей на высоких частотах, экраны делают из тонкого слоя Al. На скин-эффекте основана высокочастотная поверхностная закалка стальных изделий (см. Индукционная нагревательная установка).
Индукционная нагревательная установка, электротермическая установка для нагрева металлических заготовок или деталей с применением индукционного нагрева. Наиболее широко распространены индукционные нагревательные установки для сквозного нагрева металлических заготовок перед горячей обработкой давлением и для поверхностной закалки стальных деталей. Обычно индукционные нагревательные установки состоят из генератора, индуктора, конденсаторной батареи, механизмов для перемещения нагреваемых заготовок, системы водоохлаждения и системы защиты и контроля.
Нагрев заготовок в индукционных нагревательных установках для сквозного нагрева осуществляется в многовитковом водоохлаждаемом футерованном индукторе. Холодные заготовки подаются в индуктор с одной стороны и выходят нагретыми с другой. Механизмы подачи имеют электромеханический, пневматический или гидравлический привод. Нагрев ведётся на низкой или средней частоте. Индукционные нагревательные установки применяют главным образом для нагрева заготовок из стали, меди, алюминия, молибдена, вольфрама, титана, циркония и различных сплавов на их основе. Для индукционных нагревательных установок характерны высокая степень автоматизации процесса и малый угар нагреваемого в них металла (для стали менее 0,5%).
Индукторы индукционных нагревательных установок для поверхностной закалки стальных деталей выполняют без теплоизоляции. Зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляет 3 – 5 мм, что обеспечивает высокий электрический кпд процесса. Индукторы установок чаще всего состоят из одного витка; питание подводится от генератора средней или высокой частоты через согласующий трансформатор. В качестве охлаждающих жидкостей при закалке используют воду, масло и различные эмульсии, которые подают на поверхность детали через отверстия в индукторе или с помощью специальных устройств.

 

***

"Скин-эффект" против мороза.
Сооружение теплоизолированных трубопроводов позволяет осуществлять нефтяные проекты в условиях Крайнего Севера
Крайне выгодная для нашей страны конъюнктура мирового рынка нефти – общеизвестна. Прогнозы о том, что небывало высокие цены на углеводородное сырье сохранятся на длительную перспективу, дали импульс к увеличению инвестиций в нефтяную отрасль России, к ее масштабному росту и дальнейшему развитию. Открылись перспективы освоения новых месторождений, но, как правило, еще более удаленных от основных потребителей нефтепродуктов.
Во многих случаях новые запасы расположены в северных регионах, с отрицательными среднегодовыми температурами, где добычу нефти и ее транспортировку придется осуществлять в сложных условиях вечной мерзлоты. Здесь на первый план выходит задача поддержания необходимой положительной температуры сырья в трубе, что обеспечит достаточную для его транспортировки степень вязкости. Нефтяные компании, столкнувшиеся с этой проблемой, были вынуждены обратиться к предприятиям, имеющим опыт производства теплоизолированных труб, применяемых в сфере тепло- и водоснабжения. Собственно, простота идеи – сооружение теплоизолированных нефтепроводов – и стала толчком к развитию целого направления в области трубопроводного транспорта нефтепродуктов.
Поскольку условия строительства и эксплуатации таких ниток (отдаленность от основной инфраструктуры, вечная мерзлота, тундра) - несравнимо сложнее, чем теплосетей, то необходимо даже чисто теоретически исключить вероятность ремонта нефтепровода. Это потребовало от производителей использования самых совершенных технологий и обеспечения высочайшего качества продукции. Существенной трудностью стали также и жесткие требования, касающиеся сроков изготовления теплоизолированных труб при больших объемах их поставок.
Одним из предприятий, имеющих самый большой в стране опыт выпуска предварительно изолированных пенополиуретаном трубопроводов, стало Производственное объединение ТВЭЛ (г. Санкт-Петербург). К нему в 2001 г. впервые обратилось за решением данных проблем ОАО «ЛУКОЙЛ-Нефтегазстрой». Это ПО гарантировало изготовление нефтяных труб любых диаметров в ППУ-изоляции, в полной комплектации изолированными фасонными изделиями (отводы, тройники, опоры, и т.п.), а также всеми необходимыми материалами для теплогидроизоляции стыков труб на трассе. Однако в процессе совместной работы теплотехников и нефтяников были сформулированы дополнительные требования. Так, нанесение специального антикоррозионного покрытия на наружную поверхность стальной трубы в случае повреждения тепло-гидроизоляции позволит свести к минимуму риск развития коррозии и даст возможность избежать дорогостоящего и сложного ремонта в отдаленном северном регионе. А производство специальных противопожарных вставок в нефтепровод – труб с изоляцией из негорючей минеральной ваты – обеспечит соблюдение противопожарных нормативов. Маркировка, тщательная упаковка готовой продукции – все должно быть направлено на то, чтобы предотвратить возникновение проблем при последующем монтаже нефтепровода.
Но наиболее важным условием стал подогрев транспортируемой нефти. Это требование было удовлетворено благодаря применению так называемого «скин-эффекта». Он позволяет обогреть трубопровод длиной до 30 км с подачей электропитания с одного конца, то есть без сопроводительной сети, что обеспечивает наиболее экономичное решение проблемы линейного обогрева. Нагревательными элементами в данной системе служат прикрепленные к рабочей трубе трубы-спутники из углеродистой стали с уложенными в их полости изолированными проводниками. «Скин-эффект» возникает при прохождении переменного тока по изолированному проводнику и трубе-спутнику, где происходит выделение тепла, которое передается рабочей трубе.
Таким образом, результатом успешной реализации подобных проектов является вывод о том, что отечественные предприятия, имеющие богатый опыт производства изолированных трубопроводов большой протяженности, смогут использовать его для решения проблемы транспортировки нефти.