Pătrunzând în adâncimea conductorului, amplitudinea undelor electromagnetice scade treptat. Acesta este efectul pielii, care este un alt nume pentru efectul de suprafață. De exemplu, dacă un curent de înaltă frecvență trece printr-un conductor, atunci distribuția acestuia nu are loc pe întreaga secțiune transversală, ci în principal în straturile de suprafață.
Cum funcționează efectul asupra pielii
Această acțiune ar trebui luată în considerare folosind exemplul unui conductor cilindric relativ lung, care este expus la o tensiune alternativă având o anumită frecvență cu variația timpului.
Dacă luăm o tensiune constantă, a cărei frecvență este zero, atunci în acest caz distribuția curentului electric va fi pe întreaga secțiune transversală a conductorului. Acest lucru se datorează faptului că tensiunea curentului continuu va fi aceeași în fiecare punct al secțiunii transversale a conductorului. Liniile de câmp magnetic create de curent se formează sub formă de cercuri concentrice, al căror centru coincide cu axa conductorului. Astfel, curentul continuu este distribuit pe secțiune transversală indiferent de acțiunea câmpului magnetic.
În cazul curentului alternativ într-un conductor, acesta se modifică în timp cu o modificare simultană a câmpului magnetic. Când fluxul câmpului magnetic se modifică, apare o forță electromotoare. Acest EMF este cel care deplasează energia electrică la suprafața conductorului cu ajutorul unui câmp magnetic. La frecvențe foarte înalte, tot curentul va curge doar printr-un strat subțire al părții exterioare a conductorului.
Proprietățile efectului pielii
Efectul pielii este asociat nu numai cu curenții de înaltă frecvență care se modifică în timp. Acest lucru se datorează oricărei modificări temporare a curenților. Efectul pielii poate apărea atunci când un conductor este conectat direct la o tensiune de curent continuu. În acest moment apare o fem indusă mare, compensând efectul câmpului electric extern asupra axei. Sfârșitul acestui proces este marcat atunci când curentul este distribuit uniform în conductor pe întreaga secțiune transversală.
Când curentul se schimbă foarte repede, există un timp special în care curentul și câmpul magnetic pătrund adânc în conductor. Această valoare se numește skin-new time. În același timp, ar trebui să se țină seama și de faptul că, odată cu scăderea rezistivității conductorului, timpul de penetrare a curentului și a câmpului magnetic în acesta crește.
În cazul folosirii supraconductoarelor, timpul pielii, teoretic, va avea o valoare infinit de mare, nu se observă câmp magnetic, iar fluxul de curent are loc exclusiv de-a lungul suprafeței.
Aplicarea unui efect
Pe de altă parte, efectul Skin este folosit în practică. Acțiunea ecranelor electromagnetice se bazează pe efectul Skin. Deci, pentru a proteja spațiul exterior de interferențele create de câmpul unui transformator de putere care funcționează la o frecvență de 50 Hz, se folosește un ecran din oțel feromagnetic relativ gros; Pentru a proteja un inductor care funcționează la frecvențe înalte, ecranele sunt realizate dintr-un strat subțire de Al. Întărirea la suprafață de înaltă frecvență a produselor din oțel se bazează pe efectul Skin (vezi Sistem de încălzire prin inducție).
Instalație de încălzire prin inducție, instalație electrotermică pentru încălzirea pieselor sau a pieselor metalice prin încălzire prin inducție./
Acțiunea generatoarelor magnetice explozive (EMG), a generatoarelor de frecvență magnetică explozivă (EMFG) și, în special, a emițătorilor de unde de șoc (SWE) se bazează și pe efectul pielii.
Adâncimea stratului conductor în care intensitatea câmpului electric scade cu un factor de e se numește adâncimea pielii. Dependența adâncimii pielii de frecvență pentru un conductor de cupru este dată în tabel. - ghiduri de undă. strat de suprafață.
Formula pentru calcularea adâncimii pielii în metal (aproximativ)
Aici e0 = 8,85419*10-12 F/m - constanta dielectrică absolută a vidului, c - rezistivitate, c - viteza luminii, mm - permeabilitatea magnetică relativă (aproape de unitate pentru materiale para- și diamagnetice - cupru, argint etc. .p.), w = 2p * f. Toate mărimile sunt exprimate în sistemul SI.
O formulă mai simplă de calcul
c - rezistivitate, mm - permeabilitate magnetică relativă, f - frecvență.
Toată lumea știe că o minge de plasmă nu dă un șoc electric. Deși o tensiune de zeci de mii de volți trece printr-o persoană... De ce???
Dacă aplicați o tensiune foarte mare pe bila de plasmă - mai mult de 100KV - vor începe să iasă descărcări din becul de sticlă. Din nou, poți „atinge” aceste scântei, dar nu vei simți nimic.
Să scoatem mingea din tribună.
Și, în sfârșit, să deconectam suportul în sine de la bobina Tesla.
În toate cele 4 cazuri, un curent de 100-200KV trece printr-o persoană, dar de ce nu are niciun efect? Este curentul scăzut? Nu, prin conectarea la circuit > bobina Tesla -> fir -> scânteie -> om< лампу накаливания (если в ней будет хотя бы один виток волоска - опыт не получится), можно заставить волосок нагреться.
Răspunsul este simplu: curentul de înaltă frecvență trece doar de-a lungul suprafeței conductorului (pielea), provocând doar încălzire. Dar nu ar trebui să credeți că o descărcare de la o bobină Tesla este complet sigură din 2 motive
1) unele scântei pot avea frecvență scăzută
2) va avea loc o arsură acolo unde scânteia intră în corp.
Pentru a evita arsurile, trebuie să ții în mână un mic obiect metalic NU izolat (de exemplu, o șurubelniță, o bucată de folie sau sârmă).
În timpul experimentelor, a fost folosită o bobină Tesla de 450 W, pornită la putere medie, pentru a preveni deteriorarea camerei WEB care filma.
Sistemul SKIN este un complex fiabil și sigur proiectat pentru încălzirea conductelor de diferite lungimi pentru instalații subacvatice, subterane și supraterane, precum și în zone cu pericol de explozie ridicat.
Sistemul SKIN este singura metodă de încălzire posibilă pentru conducte fără o rețea de însoțire, a cărei lungime poate fi de până la 30 de mii de metri;
· sistemul este proiectat cu niveluri ridicate de fiabilitate și durabilitate;
· Efectul SKIN face posibilă încălzirea autostrăzilor de orice lungime;
· poate fi utilizat în zone cu pericol crescut de explozie;
· elementele de încălzire au o rată de eliberare a căldurii de până la 120 wați pe metru;
· Sistemul SKIN functioneaza la temperaturi de pana la 200 de grade;
· există permisiunea de utilizare în zone cu risc crescut de explozie din partea Serviciului Federal de Supraveghere a Mediului, Tehnologic și Nuclear și un certificat de conformitate GOST R;
· nu există potențial pe părțile exterioare ale elementelor care generează căldură nu au nevoie de izolație electrică, deoarece sunt împământate;
Efectul pielii
Efectul pielii (din limba engleză piele - piele, coajă), efect de suprafață, slăbirea undelor electromagnetice pe măsură ce acestea pătrund adânc în mediul conductor, ca urmare a acestui efect, de exemplu, curent alternativ de înaltă frecvență sau curent alternativ pe cruce. -secțiunea unui conductor sau flux magnetic alternativ de-a lungul secțiunii transversale a circuitului magnetic, atunci când curge prin conductor, acesta nu este distribuit uniform pe secțiunea transversală, ci în principal la cauzele efectului.
Motivele efectului.
Efectul pielii se datorează faptului că atunci când o undă electromagnetică se propagă într-un mediu conductor, apar curenți turbionari, în urma cărora o parte din energia electromagnetică este convertită în căldură. Acest lucru duce la o scădere a intensității câmpului electric și magnetic și a densității curentului, de ex. pentru atenuarea undei.
Curenți turbionari, curenți Foucault, curenți electrici închisi într-un conductor masiv care apar atunci când fluxul magnetic care îl pătrunde se modifică. Curenții turbionari sunt curenți induși și se formează într-un corp conducător fie ca urmare a unei modificări de timp a câmpului magnetic în care se află corpul, fie ca urmare a mișcării corpului într-un câmp magnetic, conducând la o modificarea fluxului magnetic prin corp sau orice parte a acestuia. Cu cât fluxul magnetic se modifică mai repede, cu atât valoarea curentului turbionar este mai mare.
Cu cât este mai mare frecvența n a câmpului electromagnetic și cu cât permeabilitatea magnetică m a conductorului este mai mare, cu atât este mai puternic (în conformitate cu ecuațiile lui Maxwell) câmpul electric vortex creat de câmpul magnetic alternativ și conductivitatea a conductorului este mai mare, cu atât este mai mare densitatea de curent și puterea disipată pe unitate de volum (în conformitate cu legile lui Ohm și Joule-Lenz). Astfel, cu cât n, m și s sunt mai mari, cu atât atenuarea este mai puternică, adică. Efectul de piele este mai pronunțat.
Ecuațiile lui Maxwell, ecuații fundamentale ale electrodinamicii macroscopice clasice, care descriu fenomene electromagnetice într-un mediu arbitrar. Ecuațiile lui Maxwell au fost formulate de J.K. Maxwell în anii 60 ai secolului al XIX-lea bazat pe o generalizare a legilor empirice ale fenomenelor electrice și magnetice. Pe baza acestor legi și dezvoltând ideea fructuoasă a lui M Faraday că interacțiunile dintre corpurile încărcate electric se realizează printr-un câmp electromagnetic, Maxwell a creat teoria proceselor electromagnetice, exprimată matematic prin ecuația Maxwell ecuația a fost dată de fizicianul german G. Hertz și fizicianul englez O. Heaviside. Ecuațiile lui Maxwell leagă mărimile care caracterizează câmpul electromagnetic cu sursele sale, adică cu distribuția sarcinilor electrice și a curenților în spațiu. În vid, un câmp electromagnetic este caracterizat de două mărimi vectoriale în funcție de coordonatele spațiale și de timp: intensitatea câmpului electric E și inducția magnetică B. Aceste mărimi determină forțele care acționează din câmp asupra sarcinilor și curenților, a căror distribuție în spațiu este determinată de densitatea de sarcină r (sarcină în unitate de volum) și densitatea de curent j (sarcina transferată pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe direcția de mișcare a sarcinii). Pentru a descrie procesele electromagnetice într-un mediu material (în materie), pe lângă vectorii E și B, se introduc mărimi vectoriale auxiliare, în funcție de starea și proprietățile mediului: inducția electrică D și intensitatea câmpului magnetic N. Ecuațiile lui Maxwell ne permit pentru a determina principalele caracteristici ale câmpului (E, B , D și H) în fiecare punct din spațiu în orice moment, dacă sursele câmpului j și r sunt cunoscute ca funcții de coordonate și timp. Ecuațiile lui Maxwell pot fi scrise în formă integrală sau diferențială (sunt date mai jos în sistemul absolut Gaussian de unități; vezi sistemul GHS de unități). Ecuațiile lui Maxwell în formă integrală determină din sarcini și curenți date nu vectorii de câmp E, B, D, H înșiși în puncte individuale din spațiu, ci unele mărimi integrale care depind de distribuția acestor caracteristici de câmp: circulația vectorilor E și H. de-a lungul contururilor închise arbitrare și curge vectorii D și B prin suprafețe închise arbitrare. Prima ecuație a lui Maxwell este o generalizare la câmpuri variabile a legii empirice a lui Ampere privind excitarea unui câmp magnetic de către curenți electrici. Maxwell a emis ipoteza că câmpul magnetic este generat nu numai de curenții care circulă în conductori, ci și de câmpurile electrice alternative în dielectrice sau vid. O mărime proporțională cu viteza de modificare a câmpului electric în timp a fost numită de Maxwell curent de deplasare. Curentul de deplasare excită un câmp magnetic în conformitate cu aceeași lege ca și curentul de conducere (acest lucru a fost ulterior confirmat experimental). Curentul total, egal cu suma curentului de conducție și a curentului de deplasare, este întotdeauna închis.
Mai întâi M. u. are forma:
/
În cazul unei unde sinusoidale plane care se propagă de-a lungul axei x într-un mediu bine conducător, omogen, liniar (curenții de deplasare pot fi neglijați în comparație cu curenții de conducere), amplitudinile intensităților câmpului electric și magnetic se diminuează conform legii exponențiale. :
Coeficient de atenuare, m0 - constantă magnetică La o adâncime x = d = 1/a, amplitudinea undei scade de e ori. Această distanță se numește adâncimea de penetrare sau grosimea pielii. De exemplu, la o frecvență de 50 Hz în cupru (s = 580 ksym/cm; m = 1) s = 9,4 mm, în oțel (a = 100 ksym/cm, (m = 1000) d = 0,74 mm. La creșterea frecvența la 0,5 MHz, d va scădea de 100 de ori. cu atât este mai slabă S.-e.
Constanta magnetică, coeficient de proporționalitate m0, care apare într-un număr de formule de magnetism atunci când este scris în formă raționalizată (în Sistemul Internațional de Unități). Astfel, inducția B a unui câmp magnetic și intensitatea lui H sunt legate în vid prin relație
B = m0Н,
unde m0 = 4p ×10 -7 gn/m" 1 .26×10 -6 g/m.)). Pentru conductoarele cu efect Skin puternic pronunțat, când raza de curbură a secțiunii firului este semnificativ mai mare decât d și câmpul din conductor este o undă plană, se introduce conceptul de rezistență de suprafață a conductorului Zs (impedanța de suprafață). Este definit ca raportul dintre amplitudinea complexă a căderii de tensiune pe unitate de lungime a conductorului și amplitudinea complexă a curentului care curge prin secțiunea transversală a unui strat de piele de lungime unitară. Amplitudine complexă, reprezentare a amplitudinii A și fazei y a unei vibrații armonice x = Acos (wt + y) folosind un număr complex =Aexp (ij)=Acosj + iAsinj. În acest caz, oscilația armonică este descrisă prin expresie x = Re [( expiwt)], unde Re este partea reală a numărului complex între paranteze drepte. K. a. utilizate de obicei în calculul circuitelor electrice liniare (cu o dependență liniară a curentului de tensiune) care conțin elemente active și reactive. Dacă un astfel de circuit este afectat de o fem armonică de frecvență w, atunci se utilizează a. curentul și tensiunea vă permit să treceți de la ecuațiile diferențiale la cele algebrice. Legătura dintre K. a. curentul I și tensiunea U pentru rezistența activă R este determinată de legea lui Ohm: / = · R. Pentru inductanţa L această relaţie are forma I = - iar pentru containerul C: I=iwCU. Astfel, mărimile iwL și L/iwC joacă rol de reactanță inductivă și capacitivă./ Rezistență complexă pe unitatea de lungime a conductorului: unde R0 este rezistența activă a conductorului, care determină pierderea de putere în acesta, X0 este reactanța inductivă, care ia în considerare inductanța conductorului datorită fluxului magnetic din interiorul conductorului, lc este perimetrul secțiunii transversale a stratului de piele, w = 2pn; în acest caz R0 = X0. Cu S.-e puternic exprimat. Rezistența de suprafață coincide cu impedanța caracteristică a conductorului și, prin urmare, este egală cu raportul dintre intensitatea câmpului electric și intensitatea câmpului magnetic de pe suprafața conductorului. /! Impedanța caracteristică a liniilor electrice de transmisie, raportul dintre tensiune și curent în orice punct al liniei de-a lungul căruia se propagă undele electromagnetice. V.s. reprezintă rezistența pe care o linie o oferă unei unde de tensiune care se deplasează. Într-o linie infinit de lungă sau o linie de lungime finită, dar încărcată cu o rezistență egală cu VS, nu există nicio reflexie a undelor electromagnetice și nicio formare de unde staționare. În acest caz, linia transferă aproape toată energia de la generator la sarcină (fără pierderi). V.s. este egal cu: /
În cazurile în care calea liberă medie l a purtătorilor de curent devine mai mare decât grosimea d a stratului de piele (de exemplu, în metale foarte pure la temperaturi scăzute), la frecvențe relativ mari, efectul Skin dobândește o serie de caracteristici datorită cărora se numeste anormal. Deoarece câmpul pe calea liberă medie a electronului este neuniform, curentul într-un punct dat depinde de valoarea câmpului electric nu numai în acest punct, ci și în vecinătatea acestuia, care are dimensiuni de ordinul lui l rezolvând ecuațiile lui Maxwell, în loc de legea lui Ohm, este necesar să folosim ecuația cinetică Boltzmann pentru a calcula curentul . Electronii cu efect de piele anormal devin inegale în ceea ce privește contribuția lor la curentul electric; la l >> d, contribuția principală vine de la cei care se deplasează în stratul de piele paralel cu suprafața metalică sau la unghiuri foarte mici față de aceasta și, prin urmare, petrec mai mult timp în regiunea câmpului puternic (electroni efectivi). Atenuarea undei electromagnetice în stratul de suprafață are loc în continuare, dar caracteristicile cantitative ale efectului anormal al pielii sunt oarecum diferite. Câmpul din stratul de piele nu scade exponențial (R0/X0= ).
În regiunea de frecvență infraroșu, un electron poate să nu aibă timp să parcurgă o distanță l în timpul perioadei de schimbare a câmpului. În acest caz, câmpul de-a lungul drumului electronului de-a lungul perioadei poate fi considerat uniform. Acest lucru duce din nou la legea lui Ohm, iar efectul Skin devine din nou normal. Astfel, la frecvențe joase și foarte înalte efectul pielii este întotdeauna normal. În domeniul radio, în funcție de relația dintre / și d, pot apărea efecte normale și anormale ale pielii. Toate cele de mai sus sunt adevărate atâta timp cât frecvența с este mai mică decât frecvența plasmei: w< w0 «(4pne2/m) 1/2 (n - концентрация свободных электронов, е - заряд, m - масса электрона). Combaterea efectului. Efectul asupra pielii este adesea nedorit. În fire, curentul alternativ cu efect puternic de piele curge în principal prin stratul de suprafață; în acest caz, secțiunea transversală a firului nu este utilizată pe deplin, rezistența firului și pierderile de putere din acesta la un curent dat cresc. În plăcile feromagnetice sau benzile miezurilor magnetice ale transformatoarelor, mașinilor electrice și altor dispozitive, fluxul magnetic alternant cu un puternic efect de piele trece în principal prin stratul lor de suprafață; Ca urmare, utilizarea secțiunii transversale a miezului magnetic se deteriorează, curentul de magnetizare și pierderile din oțel cresc. Influența „dăunătoare” a efectului Skin este slăbită prin reducerea grosimii plăcilor sau a benzii și la frecvențe suficient de înalte - prin utilizarea miezurilor magnetice din magnetodielectrici. Magnetodielectrici, materiale magnetice, care sunt un amestec de pulbere feromagnetică și un liant dielectric legat într-un singur conglomerat (de exemplu, bachelită, polistiren, cauciuc); in macrovolume au rezistenta electrica mare, in functie de cantitatea si tipul de ligament. Materialele magnetice pot fi fie materiale magnetice dure, fie materiale magnetice moi. Metalele moi magnetice sunt produse în principal din pulberi fine de fier carbonil, permalaj de molibden și alsifer cu diverși lianți. Materialele magnetice moi sunt utilizate pentru fabricarea miezurilor pentru inductori, filtre, șocuri și miezuri de armătură de inginerie radio care funcționează la frecvențe de 104-108 Hz. De asemenea, odată cu creșterea frecvenței curentului alternativ, efectul pielii se manifestă din ce în ce mai clar, ceea ce face necesară luarea în considerare la proiectarea și calcularea circuitelor electrice care funcționează cu curent alternativ și pulsat. De exemplu, în loc de fire de cupru obișnuite, pot fi folosite fire de cupru acoperite cu un strat subțire de argint. Argintul are cea mai mare conductivitate dintre toate metalele și stratul său subțire, în care, datorită efectului pielii, curge mai mult ́ Majoritatea curentului are un efect puternic asupra rezistenței active a conductorului. Efectul pielii afectează în mod semnificativ caracteristicile circuitelor oscilatorii, cum ar fi factorul de calitate. Datorită faptului că curentul de înaltă frecvență trece printr-un strat subțire de suprafață al conductorului, rezistența activă a conductorului crește semnificativ, ceea ce duce la atenuarea rapidă a oscilațiilor de înaltă frecvență. Pentru a combate efectul de piele, se folosesc conductori de diferite secțiuni: plat (sub formă de benzi), tubular (gol în interior), iar pe suprafața conductorului se aplică un strat de metal cu o rezistivitate mai mică. De exemplu, în echipamentele HF se folosesc circuite din cupru placat cu argint, în liniile electrice de înaltă tensiune se folosește un fir într-o manta de cupru sau aluminiu cu miez de oțel, la generatoarele de curent alternativ de mare putere înfășurarea este realizată din tuburi prin care se trece hidrogen lichid pentru răcire. De asemenea, pentru a suprima efectul pielii, se folosește un sistem de mai multe fire împletite și izolate - sârmă Litz. Toate aceste metode de combatere a efectului pielii sunt ineficiente pentru echipamentele cu microunde. În acest caz, se folosesc circuite oscilatorii de formă specială: rezonatoare volumetrice și linii de transmisie specifice Aplicarea efectului Aplicarea unui efect. Pe de altă parte, efectul Skin este folosit în practică. Acțiunea ecranelor electromagnetice se bazează pe efectul Skin. Deci, pentru a proteja spațiul exterior de interferențele create de câmpul unui transformator de putere care funcționează la o frecvență de 50 Hz, se folosește un ecran din oțel feromagnetic relativ gros; Pentru a proteja un inductor care funcționează la frecvențe înalte, ecranele sunt realizate dintr-un strat subțire de Al. Întărirea la suprafață de înaltă frecvență a produselor din oțel se bazează pe efectul Skin (vezi Sistem de încălzire prin inducție). Instalație de încălzire prin inducție, instalație electrotermică pentru încălzirea pieselor sau a pieselor metalice prin încălzire prin inducție./ Acțiunea generatoarelor magnetice explozive (EMG), a generatoarelor de frecvență magnetică explozivă (EMFG) și, în special, a emițătorilor de unde de șoc (SWE) se bazează și pe efectul pielii. Adâncimea stratului conductor în care intensitatea câmpului electric scade cu un factor de e se numește adâncimea pielii. Dependența adâncimii pielii de frecvență pentru un conductor de cupru este dată în tabel. - ghiduri de undă. strat de suprafață. Formula pentru calcularea adâncimii stratului de piele în metal (aproximativ). Aici ε0 = 8,85419*10 -12 F/m - constanta dielectrică absolută a vidului, ρ - rezistivitate, c - viteza luminii, μm - permeabilitatea magnetică relativă (aproape de unitate pentru materialele para- și diamagnetice - cupru, argint etc. ), ω = 2π * f. Toate mărimile sunt exprimate în sistemul SI. O formulă mai simplă de calcul ρ - rezistenta specifica, μm - permeabilitatea magnetică relativă, f - frecvența. Toată lumea știe că o minge de plasmă nu dă un șoc electric. Deși o tensiune de zeci de mii de volți trece printr-o persoană... De ce??? Dacă aplicați o tensiune foarte mare pe bila de plasmă - mai mult de 100KV - vor începe să iasă descărcări din becul de sticlă. Din nou, puteți „atinge” aceste scântei, dar nu veți simți nimic. Să scoatem mingea din tribună. Și, în sfârșit, să deconectam suportul în sine de la bobina Tesla. În toate cele 4 cazuri, un curent de 100-200KV trece printr-o persoană, dar de ce nu are niciun efect? Este curentul scăzut? Nu, prin conectarea la circuit > bobina Tesla -> fir -> scânteie -> om< лампу накаливания (если в ней будет хотя бы один виток волоска - опыт не получится), можно заставить волосок нагреться. Răspunsul este simplu: curentul de înaltă frecvență trece doar de-a lungul suprafeței conductorului (pielea), provocând doar încălzire. Dar nu ar trebui să credeți că o descărcare de la o bobină Tesla este complet sigură din 2 motive ) unele scântei pot avea o frecvență scăzută ) va avea loc o arsură acolo unde scânteia intră în corp. Pentru a evita arsurile, trebuie să ții în mână un mic obiect metalic NU izolat (de exemplu, o șurubelniță, o bucată de folie sau sârmă). În timpul experimentelor, a fost folosită o bobină Tesla de 450 W, pornită la putere medie, pentru a preveni deteriorarea camerei WEB care filma. Sistemul SKIN este un complex fiabil și sigur proiectat pentru încălzirea conductelor de diferite lungimi pentru instalații subacvatice, subterane și supraterane, precum și în zone cu pericol de explozie ridicat. Sistemul SKIN este singura metodă de încălzire posibilă pentru conducte fără o rețea de însoțire, a cărei lungime poate fi de până la 30 de mii de metri; · sistemul este proiectat cu niveluri ridicate de fiabilitate și durabilitate; · Efectul SKIN face posibilă încălzirea autostrăzilor de orice lungime; · poate fi utilizat în zonele cu risc crescut de explozie; · elementele de încălzire au o rată de eliberare a căldurii de până la 120 de wați pe metru; · Sistemul SKIN functioneaza la temperaturi de pana la 200 de grade; · există permisiunea de utilizare în zone cu pericol de explozie crescut de la Serviciul Federal pentru Supravegherea Mediului, Tehnologică și Nucleară și un certificat de conformitate GOST R; · Nu există potențial pe părțile exterioare ale elementelor care generează căldură, acestea nu au nevoie de izolație electrică, deoarece sunt împământate. Scop Sistemul SKIN (sistem rezistent la inducție) vă permite să mențineți temperaturile specificate ale conductelor, le protejează de îngheț și face posibilă încălzirea conductelor de orice lungime. Sistemul SKIN este unic, deoarece singur poate încălzi un braț de conductă cu o lungime a conductei de până la 30 de mii de metri cu sursă de alimentare fără o rețea de sprijin. Efectul SKIN vă permite să obțineți o încălzire avantajoasă din punct de vedere economic a autostrăzilor de orice lungime în prezența unei rețele de sprijin. Principiul de funcționare efect electromagnetic al pielii tesla Curenții de conductă și conductor sunt direcționați unul către celălalt, ceea ce provoacă efectul de proximitate și efectul de suprafață. Curentul din conductă trece prin stratul interior, dar nu există tensiune pe suprafața sa. Conductorul este fabricat din aluminiu sau cupru (materiale nemagnetice), astfel încât nu există un efect semnificativ al pielii, iar curentul alternativ curge prin secțiunea transversală a conductorului. Principalul element care generează căldură într-un sistem SKIN este conducta, care preia aproximativ 80 la sută din puterea sistemului. Avantaje Lungime mare a secțiunii de conductă încălzită. O rezistență mică a sistemului pe metru lungime, combinată cu o tensiune mare de alimentare, face posibilă alimentarea până la 30 de mii de metri de brațe de încălzire. Hrănirea are loc de la un capăt. În esență, designul sistemului permite ca zona de încălzire să fie alimentată de la un capăt. Siguranta electrica. Partea exterioară a elementului de încălzire are potențial zero în raport cu pământul și este legată la pământ. Contact termic bun. Elementul de încălzire (metal) este fixat (cu elemente de fixare speciale) sau sudat pe conductă. Pentru a îmbunătăți contactul (termic), utilizați o pastă cu conductivitate termică bună. Usor de instalat. Nu există izolație termică exterioară pe elementele de combustibil, ceea ce face imposibilă deteriorarea acestuia în timpul lucrărilor de instalare. Fiabilitate crescută. O țeavă din oțel (cu conținut scăzut de carbon) garantează protecția conductorului de diferite daune și rezistență mecanică, ceea ce este important pentru autostrăzile care sunt așezate sub apă și pământ. Disiparea căldurii Intervalul de temperatură de funcționare este de la -50 de grade la +200 de grade. Puterea electrică variază de la 50 Herți la 5 kilowați. Elementele structurale includ: Elementul generator de căldură este o țeavă de oțel cu un diametru de 20-60 mm și o grosime a peretelui de cel puțin 3 mm. Conductor. Un conductor special este utilizat ca conductor purtător de curent, rezistând la sarcini mecanice în timpul lucrărilor de instalare, sarcini termice de până la 200 de grade și tensiuni înalte de până la 5 kW. Protecție împotriva coroziunii - dacă este necesar de către client, se poate aplica un strat epoxidic. Controla Pentru a crește eficiența, sistemul IRSN este echipat cu un dispozitiv de control special care reduce puterea de încălzire atunci când temperatura aerului exterior crește. Un astfel de dispozitiv de control garantează un control atent asupra stării sistemului și face posibilă detectarea circumstanțelor de urgență, ceea ce este important. Un exemplu de încălzire a unei conducte izolate termic cu trei elemente de încălzire a unui sistem SKIN cu o putere totală de 130 W/m. Diametrul conductei 530 mm, t aprox. Aer = - 20° Schema de alimentare pentru secțiunea conductei încălzită prin sistemul SKIN Secțiune de conductă încălzită prin sistemul SKIN (circuit de alimentare cu energie electrică). Sistemul de alimentare cu energie electrică include o stație de transformare de tip complet (KTP), cu celule (distribuție) pe părțile joase și înalte, un transformator special (balun) și un sistem de control și monitorizare. Stația de transformare completă este instalată într-un recipient etanș încălzit. Referințe
1)Netushil A.V., Polivanov K.M., Fundamentele ingineriei electrice, vol. 3, M., 1956; 2)Polivanov K.M., Fundamentele teoretice ale ingineriei electrice, partea 3 - Teoria câmpului electromagnetic, M., 1975; )Neumann L.R., Efectul de suprafață în corpuri feromagnetice, L. - M., 1949. )Kalashnikov S.G., Electricitate, M., 1956 (Curs general de fizică, vol. 2). )Tolmassky I.S., Metale și aliaje pentru miezuri magnetice, M., 1971.
Dacă treceți un curent electric alternativ de înaltă frecvență printr-un conductor, se dovedește că tot curentul din conductor va curge printr-un strat de suprafață subțire. Acest fenomen se numește efect de piele. Numele în sine provine din cuvântul englezesc care înseamnă „piele”.
Pentru a înțelege de ce curentul de înaltă frecvență curge numai de-a lungul suprafeței conductorului, luați în considerare un conductor cilindric destul de lung (vezi figura), la capetele căruia se aplică o tensiune alternativă, variind în timp cu frecvența ).
Să începem cu cazul, adică tensiune constantă, când un curent electric constant trece prin conductor. Cauza curentului electric este un câmp electric, a cărui putere la o tensiune constantă este aceeași în orice punct al secțiunii transversale. În consecință, curentul electric continuu este distribuit uniform pe întreaga secțiune transversală a conductorului. Curentul din conductor creează un câmp magnetic 2 în jurul său, ale cărui linii de forță sunt cercuri concentrice centrate pe axa conductorului; În plus, câmpul magnetic există nu numai în exterior, ci și în interiorul conductorului. Cu curent continuu, câmpul magnetic nu afectează distribuția curentului pe secțiunea transversală.
Situația este diferită în cazul curentului electric alternativ. Dacă curentul dintr-un conductor se modifică în timp, atunci câmpul magnetic se va modifica odată cu acesta. Aceasta înseamnă că fluxul câmpului magnetic care trece prin circuitul de bază se modifică și o forță electromotoare (EMF) de inducție magnetică în circuit. Este ușor de verificat (folosind „regula gimlet” și regula lui Lenz) că acest EMF funcționează întotdeauna împotriva curentului în secțiune în direcția curentului în secțiune.
Prin urmare, valoarea instantanee a curentului în centrul conductorului va fi mai mică decât la marginea acestuia. Cu cât frecvența curentului alternativ este mai mare, cu atât câmpul magnetic se modifică mai repede în timp, cu atât este mai mare fem indusă și cu atât mai puțin curent electric în centrul conductorului. Curentul este, parcă, deplasat de un câmp magnetic pe suprafața conductorului. La frecvențe foarte înalte, fem-ul indus devine atât de mare încât compensează complet câmpul electric extern din interiorul conductorului și tot curentul trece printr-un strat subțire de suprafață. Acesta este efectul pielii. Calculele precise fac posibilă determinarea grosimii stratului de piele pe suprafața prin care circulă curentul de înaltă frecvență: , unde este rezistivitatea conductorului. De exemplu, la frecvență grosimea stratului de piele într-un conductor de cupru este de mm.
Efectul pielii apare nu numai pentru curenții de înaltă frecvență care variază în timp în funcție de legea sinusului sau cosinusului; cel mai important este că actualul se modifică în timp. În special, efectul de piele apare și atunci când un conductor este conectat la o sursă de tensiune DC. În momentul pornirii, în circuitul de bază apare o f.e.m. indusă mare, care compensează complet câmpul electric extern de pe axa conductorului. Prin urmare, curentul apare mai întâi pe suprafața conductorului, apoi crește treptat în straturi mai adânci și, în sfârșit, pe axa conductorului. Acest proces se încheie atunci când curentul este distribuit uniform pe întreaga secțiune transversală a conductorului. Acest comportament al curentului electric amintește de răspândirea căldurii atunci când un corp este încălzit: se dovedește că ambele procese sunt descrise de aceleași ecuații.
În cazul unei schimbări rapide a curentului, se introduce de obicei un timp caracteristic în care curentul (și câmpul magnetic) pătrunde în conductor - timpul pielii: , unde a este raza conductorului. Cu cât rezistivitatea conductorului este mai mică, cu atât va dura mai mult până când curentul și câmpul magnetic să pătrundă în conductor.
Ce se va întâmpla în cazul în care, adică dacă avem de-a face cu un supraconductor (vezi Supraconductivitate)? Formal, timpul pielii va deveni infinit de mare, câmpul magnetic nu va putea exista în supraconductor, iar curentul va curge doar de-a lungul suprafeței sale. Acesta este ceea ce se întâmplă de fapt. Acest fenomen se numește efect Meissner (a fost observat pentru prima dată în 1933 de către fizicianul german W. Meissner).
Efectul pielii joacă un rol foarte important în acele domenii ale științei și tehnologiei care folosesc câmpuri electrice și magnetice de înaltă frecvență sau care variază rapid. Acestea sunt electronice de ultra-înaltă frecvență, inginerie radio, fizica plasmei etc.
Curentul alternativ este însoțit de fenomene electromagnetice, care duc la deplasarea sarcinilor electrice din centrul conductorului spre periferia acestuia. Acest efect se numește efect de suprafață sau efect asupra pielii. Ca urmare a acestui efect, curentul devine neuniform. La periferie, curentul se dovedește a fi mai mare ca magnitudine decât la centru. Acest lucru se întâmplă din cauza diferențelor de densitate a purtătorilor de sarcină liberi în secțiunea perpendiculară a conductorului în raport cu direcția curentului.
Adâncimea de penetrare a curentului se determină după expresia:
Folosind formula de mai sus pentru un conductor de cupru, constatăm că la o frecvență curentă de 50 Hz, adâncimea de penetrare va fi de aproximativ 9,2 mm. De fapt, aceasta înseamnă că având un conductor cu secțiune transversală circulară cu o rază mai mare de 9,2 mm, nu va exista curent în centrul conductorului, deoarece acolo nu vor exista purtători de sarcină liberi.
Cu cât frecvența curentului este mai mare, cu atât adâncimea de penetrare este mai mică. Dublarea frecvenței curente va atrage după sine o scădere a adâncimii de penetrare la rădăcina pătrată a lui doi. Dacă frecvența curentă crește de 10 ori, atunci, în consecință, adâncimea de penetrare va scădea până la rădăcina de 10 ori.
Graficul de distribuție curentă.
Graficul arată clar distribuția densității curente Jîntr-un conductor cu secţiune rotundă (cilindric). Dincolo de adâncimea de penetrare, densitatea de curent este zero sau neglijabilă, deoarece nu există electroni liberi în aceste locuri ale conductorului. Nu există curent în aceste locuri.
Dacă materialul conductor este îndepărtat din centrul unui astfel de conductor, unde nu există curent, atunci vom obține un conductor gol sub formă de tub (tubular). Acest lucru nu va schimba caracteristicile conductoare, deoarece nu exista curent acolo, rezistența unui astfel de conductor nu se va schimba, dar caracteristici precum inductanța și capacitatea conductorului se pot schimba.
Rezistența unui conductor într-un circuit de curent alternativ depinde nu numai de materialul conductorului, ci și de frecvența curentului. La frecvente inalte, datorita efect asupra pielii, tot curentul începe să curgă aproape de-a lungul limitei conductorului, unde vine în contact cu mediul extern, neconductor.
Utilizarea practică a efectului pielii.
Distribuția densității curentului într-un conductor în funcție de frecvența curentului permite unui fir să transmită semnale electrice de diferite frecvențe. Semnalele de frecvență mai înaltă călătoresc de-a lungul razei exterioare (mai mari) a conductorului, iar semnalele de frecvență mai mică călătoresc de-a lungul razei mai mici. Se dovedește ceva de genul tort stratificat de formă cilindrică, unde umplutura este distribuită sferic. Fiecare tip de umplere este ca o frecvență de curent separată.
Având în vedere adâncimea de penetrare a curentului pentru frecvențe diferite, dacă este necesar un conductor cu o rază mai mare decât adâncimea de penetrare, atunci este rezonabil să se folosească un cablu cu mai multe fire. Să spunem doar că pentru o frecvență curentă de 50 Hz, raza maximă este de aproximativ 9 mm, ceea ce înseamnă că nu are rost să folosim un conductor solid cu o rază mai mare de 9 mm. Acest lucru nu va da nicio creștere a conductivității, deoarece nu va exista curent în centrul conductorului, ceea ce este o utilizare irațională a cuprului scump. De aceea, firele și cablurile cu mai multe fire sunt utilizate pentru secțiuni transversale mari.
La transmiterea semnalelor de înaltă frecvență, pentru a economisi metalul neferos, firul principal de susținere este realizat dintr-un aliaj de oțel ieftin, care este apoi acoperit. strat subțire de cupru. Datorită efectului de piele, curentul curge aproape exclusiv prin carcasa de cupru și este absent în baza de oțel. Acest lucru face posibilă reducerea semnificativă a costurilor firelor și cablurilor pentru comunicațiile de înaltă frecvență.
