Скин-эффект

Краткая теория

Запишем пару уравнений Максвелла в квазистационарном приближении для проводящей среды: $$ \begin{array}{l} \rot \vec{E}=-\frac{1}{c}\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\\ \rot \vec{H}=\frac{4\pi}{c}\vec{j}. \end{array} $$ С учетом $\vec{j}=\sigma \vec{E}$ имеем \begin{equation}\label{equat2} \begin{array}{l} \rot \vec{E}=-\frac{1}{c}\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\\ \rot \vec{H}=\frac{4\pi\sigma}{c}\vec{E}. \end{array} \end{equation} Подействуем оператором $\rot$ на каждое уравнение системы \eqref{equat2}: $$ \begin{array}{l} \rot \rot \vec{E}=-\frac{1}{c}\rot \frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\\ \rot \rot \vec{H}=\frac{4\pi \sigma}{c}\rot \vec{E}. \end{array} $$ Левые части с учетом векторного тождества $\rot \rot \vec{a} = \nabla \Div \vec{a} -\Delta \vec{a}$ и условий $\frac{1}{\mu}\Div \vec{B}=0$, $\Div \vec{E}=4\pi \rho = 0$ (среда без объемных зарядов) приводятся к виду $-\Delta \vec{a}$.
Правые части с учетом независимости временной и пространственных переменных перепишутся как $-\frac{\mu}{c}\frac{\partial \rot \vec{H}}{\partial t}$ и $ -\frac{4\pi\sigma}{c}\rot \vec{E}$ соответственно.
Подставив в правую часть $\rot \vec{E}$ из первого уравнения системы \eqref{equat2} и $\rot \vec{H}$ из второго, получим $$ \begin{array}{l} -\Delta \vec{H}=-\frac{4\pi \mu\sigma }{c^2}\frac{\partial \vec{H}}{\partial t},\\ -\Delta \vec{E}=-\frac{4\pi \mu\sigma }{c^2}\frac{\partial \vec{E}}{\partial t}, \end{array} $$ или $$ \begin{array}{l} \Delta \vec{E}-\frac{4\pi \mu\sigma }{c^2}\frac{\partial \vec{E}}{\partial t}=0,\\ \Delta \vec{H}-\frac{4\pi \mu\sigma }{c^2}\frac{\partial \vec{H}}{\partial t}=0. \end{array} $$ Полученное дифференциальное уравнение относится к типу уравнений диффузии/теплопроводности. Из него, в частности, следует ограниченность скорости изменения поля в среде при сколь угодно быстром изменении его значения на границе.
Для переменных полей, изменяющихся со временем по гармоническому закону $\left(\vec{E}(\vec{r},t)=\vec{E}_0(\vec{r}){\e}^{i\omega t},\,\, \vec{H}(\vec{r},t)=\vec{H}_0(\vec{r}){\e}^{i\omega t} \right)$, уравнения принимают вид: $$ \begin{array}{l} \Delta \vec{E}-i\frac{4\pi \mu\sigma \omega}{c^2} \vec{E} = 0,\\\\ \Delta \vec{H}-i\frac{4\pi \mu\sigma \omega}{c^2} \vec{H} = 0. \end{array} $$ В одномерном случае решение представляет собой поле, экспоненциально затухающее в глубь проводящей среды. Например, для напряженности магнитного поля $$ \vec{H}(z,t)=\vec{H}_0{\e}^{i\omega t}{\e}^{-iz/\delta }{\e}^{-z/\delta }, $$ где $\delta=\frac{c}{\sqrt{2\pi \mu \sigma \omega}}$ – толщина скин-слоя.

Явление затухания поля на характерной глубине скин-слоя, носит название скин-эффекта. На качественном уровне скин-эффект можно рассматривать как проявление закона Фарадея: переменный магнитный поток индуцирует э.д.с, а при наличии проводимости – вихревые токи, препятствующие изменению магнитного потока. В результате происходит ослабление амплитуды поля с глубиной.

В зависимости от соотношения между глубиной скин-слоя $\delta$ и характерными размерами $a$ системы различают сильный ($\delta \ll a$) и слабый ($\delta \gg a$) скин-эффект.
В приближении слабого скин-эффекта в среде возникают вихревые токи и тепловыделение, при этом токи малы для того, чтобы приводить к заметному искажению проникающего поля.
В приближении сильного скин-эффекта поле внутри среды, за скин-слоем, можно считать равным нулю. Вихревые токи приводят не только к занулению поля внутри среды, но и к заметному искажению внешнего поля снаружи (в первом неисчезающем приближении эта добавка имеет вид поля магнитного диполя).

Задача №599

Электрическое поле в верхнем полупространстве $(z < 0)$ меняется по закону $\vec{E}= E_0 \cos \omega t \vec{e}_{\perp}$, где $\vec{e}_{\perp}$ – единичный вектор, перпендикулярный оси $z$. Нижнее полупространство $(z > 0)$ занимает среда с магнитной проницаемостью $\mu$ и проводимостью $\sigma$. В момент времени, когда поле в верхнем полупространстве равно нулю, найти, на каком расстоянии $z^*$ от поверхности значение модуля электрического поля $E$ максимально и чему оно равно.

Показать решение

Задача №503

Шар радиуса $a$ с проводимостью $\sigma$ помещён в однородное переменное электрическое поле $E(t) = E_0{\e}^{i\omega t}$. В приближении слабого скин-эффекта, т. е. считая частоту малой $(\omega \ll \frac{c^2}{2\pi \sigma a^2})$, найти среднюю мощность тепловыделения в шаре.

Показать решение

Задача №429

По двум параллельным металлическим пластинам размерами $a \ll h \ll l$ вдоль наибольших сторон пропускается переменный ток в противоположных направлениях. Расстояние между пластинами $2d \ll h$. Найти разность между индуктивностью системы при низких частотах тока (скин-эффект слабый) и индуктивностью системы при высоких частотах тока (скин-эффект сильный).

Показать решение

Задача №381

В соленоид длиной $l$ с сечением $S$ ($l\gg\sqrt{S}$) с числом витков $N$ вставлен проводящий сердечник той же длины, с сечением $s<S$ с магнитной проницаемостью $\mu$. а) Найти индуктивность соленоида для постоянного тока. б) Какая будет индуктивность при сильном скин-эффекте (переменный ток)?

Показать решение

Задача №335

В центре проводящей сферической оболочки с внутренним радиусом $a$, внешним – $b$ и проводимостью $\sigma $ расположен точечный переменный магнитный диполь, магнитный момент которого изменяется по закону $\vec{m} (t) = \vec{m}_0 e^{-i \omega t}$, где $\vec{m}_0$ – постоянный вектор. Найдите среднюю за период мощность тепловыделения в оболочке. Рассмотреть случай слабого скин-эффекта.

Показать решение

Задача №283

В однородное поле $\vec{B}_0{\e}^{i\omega t}$ поместили непроводящий шар с магнитной проницаемостью $\mu$ с радиусом $b$. В его центр поместили шар с радиусом $a\ll b$ и проводимостью $\sigma$. Найти, какая средняя мощность выделяется в виде тепла в малом шаре в случае сильного скин-эффекта $(\delta \ll a)$.

Показать решение

Задача №277

Кабель энергомоста в Крым имеет длину 13480 м, сечение 1000 мм$^{2}$. Найти сопротивление кабеля. Сделать численную оценку (удельная проводимость меди $5\cdot 10^{17}\, с^{-1}$).

Показать решение

Задача №124

Найти тепловую мощность, выделяющуюся в полупространстве, заполненном проводником с проводимостью $\sigma $ и магнитной проницаемостью $\mu $, над которым на высоте $h$ находится маленький виток с током $I=I_{0} {\e}^{-i\omega t}$ ($c^{\mathrm{2}} \ll \sigma \mu \omega h^{\mathrm{2}})$ радиуса $a$ ($a\ll h$), параллельный поверхности среды.

Показать решение

Задача №122

Найти индуктивность на единицу длины коаксиального кабеля (радиус жилы $a$, радиус оплетки $b$) при сильном скин-эффекте.

Показать решение

Задача №99

Над магнитным диполем $\vec{m}_0 e^{i\omega t}$ помещен тонкий проводящий круглый диск, расположение и размеры которого указаны на рисунке ($d\ll h$). Считая, что частота $\omega$ и проводимость материала диска $\sigma$ удовлетворяют сильному неравенству $\frac{c}{\sqrt{2\pi \sigma \omega}} \gg h \rm{tg}\theta_0$ (то есть скин-эффект слабый), определить интенсивность тепловыделения в диске.

Показать решение

Задача №98

В проводнике с проводимостью $\sigma $, заполняющем все пространство, имеется бесконечная цилиндрическая полость радиуса $a$. В полости соосно с этим цилиндром расположен тонкостенный непроводящий цилиндр радиуса $b$, на котором равномерно распределен поверхностный заряд с плотностью $\sigma_{q}$. Внутренний цилиндр колеблется (вдоль оси $z$) по закону $v_{z}= v_{0}{\e}^{-i\omega t}$. Найти установившееся электрическое и магнитное поле в случае сильного скин-эффекта.

Показать решение