- Объяснение поверхностного эффекта
- Физическая картина возникновения
- Уравнение, описывающее скин-эффект
- Разность потенциалов на практике
- Поверхностный эффект и его влияние на нагрев
- Формула определения частоты среза диаметра проводника
- Принцип действия СКИН-ЭФФЕКТА
- Преобразование
- Электроемкость уединенного проводника
- А какая частота считается высокой?
- Формула определения частоты среза диаметра проводника
- Толщина скин-слоя
- Аномальный скин-эффект
- Уравнения для распределения тока
- Факторы, влияющие на скин-эффект
- Пример применения кабельного эффекта
- Применение
- Скорость направленного движения зарядов
- Свойства быстропеременных токов
- Готовые работы на аналогичную тему
- Сила и плотность тока
- Учёт эффекта в технике и борьба с ним
- Комплексная система
- Глубина проникновения тока в металл
- Эффект близости
- Способы подавления скин эффекта
Объяснение поверхностного эффекта
Следует подчеркнуть, что плотность тока одинакова при подключении проводника к источнику тока с постоянным напряжением. Однако ситуация меняется по мере прохождения волнового сигнала.
Распределение плотности тока в проводнике
Физическая картина возникновения
Чтобы объяснить причины явления, вы можете использовать вторую часть пояснительного изображения выше. В графическом виде показаны силовые воздействия, образованные переменным полем. Электрическая составляющая (Е) направлена противоположно току (I), что объясняет результирующее сопротивление и соответствующее уменьшение амплитуды. По мере приближения к поверхности будет проявляться обратный эффект. Это вызвано хаотичностью векторов напряжений.
Уравнение, описывающее скин-эффект
Чтобы выразить амплитуду через плотность тока, определяющие соотношения выводятся из классических уравнений закона Ома и формул Максвелла. Разность за заданный интервал времени можно использовать для расчета значений магнитной и электрической составляющих поля. В упрощенном виде рассмотрим бесконечно проводящий образец из однородного материала.
Разность потенциалов на практике
С общепринятой точки зрения разность потенциалов — это напряжение между двумя выбранными точками цепи. При этом напряжение между каждой из этих точек и третьей точкой будет разным в полном соответствии с определением.
Наглядный пример:
- Точка А в электрической цепи — напряжение 10 В относительно провода заземления;
- В точке В напряжение 25 В по отношению к тому же проводу.
Найдите напряжение между точками А и В.
В этом случае искомая разница составляет:
UAB= ϕA-ϕB=10-25=15 В.
Рассмотренные понятия важны для минимальных знаний в электротехнике и электронике, так как на них основаны все расчеты и практические решения. Без этих основ невозможно более углубленное изучение электротехнических дисциплин.
Поверхностный эффект и его влияние на нагрев
Скин-эффект — это эффект выталкивания переменного электрического тока, протекающего по проводнику, к его периферии, вызванный переменным магнитным полем, создаваемым этим током.
Механизм возникновения поверхностного эффекта следует рассмотреть на примере круглого проводника, по которому течет переменный электрический ток.
Протекание электрического тока по проводнику приводит к возникновению магнитного поля, силовые линии которого показаны на рисунке. При этом вектор индукции магнитного поля В всегда направлен по касательной к силовой линии магнитного поля.
Поскольку ток j, протекающий по проводнику, переменный, то вектор индукции магнитного поля также меняет свою величину и направление в каждой точке силовой линии в противоположные стороны, а вектор его производной по времени коллинеарен вектору индукции магнитного поля (т.е, в каждой точке векторы могут быть как сонаправленными, так и противоположно направленными).
Наличие отличной от нуля первой производной вектора магнитной индукции приводит в соответствии с законом Фарадея к возникновению вектора напряженности электрического поля Е, ротор которого определяется по уравнению Максвелла.
Физически это можно представить как появление дополнительной электродвижущей силы, сонаправленной направлению протекания тока вблизи периферии проводника и встречно направленной вблизи его оси.
Этот эффект приводит к неравномерному распределению протекающего электрического тока в проводнике, где большая часть тока протекает в поверхностном слое.
Текущий график распределения показан на рисунке. Распределение имеет экспоненциальный характер, поэтому для упрощения расчетов в первом приближении предполагается, что электрический ток течет равномерно только в поверхностном слое толщиной Δ, называемом скин-слоем, и отсутствует в остальной части проводника раздел. Фактическое значение плотности тока в глубине скин-слоя в 2,7 раза меньше плотности тока на поверхности проводника, но из-за экспоненциальной характеристики демпфирования на глубине 2Δ плотность тока пренебрежимо мала, а выделяемая мощность почти нулевая.
Скин-эффект характерен только для протекания переменного тока: при протекании постоянного тока ток распределяется равномерно по всему сечению проводника. Толщина скин-слоя сильно зависит от частоты, электрического сопротивления материала и его магнитной проницаемости: она уменьшается с увеличением частоты переменного тока и магнитной проницаемости материала и увеличивается с увеличением удельного сопротивления по соотношению.
Выраженное изменение толщины скин-слоя происходит при нагреве сплавов на основе железа при переходе к температуре точки Кюри: толщина скин-слоя увеличивается на порядок, при этом визуально наблюдается увеличение площади нагрева.
Скин-эффект имеет большое значение при индукционном нагреве, так как его можно использовать для концентрации выделения тепловой энергии в определенной области заготовки. Это связано с тем, что нагрев производится вихревыми токами внутри детали в проточной части, а эта площадь и, следовательно, площадь нагрева определяется поверхностным эффектом. Это широко используется, например, при поверхностной закалке, когда необходимо упрочнить только поверхность изделия без изменения структуры металла в большей глубине.
Возможно использование частот, где толщина скин-слоя значительно меньше площади обогрева, но в этом случае из-за того, что энергия выделяется в тонком поверхностном слое, прогрев более глубоких зон будет осуществляться послойно за счет слой за счет теплопроводности металла, что увеличивает продолжительность нагрева, снижает общий КПД системы, а также не обеспечивает равномерности нагрева.
Поэтому для глубокого равномерного нагрева крупных стальных заготовок следует использовать более низкие частоты, а для нагрева мелких деталей, поверхностной закалки или нагрева немагнитных металлов требуются высокочастотные преобразователи с частотами на порядок выше.
Для приблизительного расчета толщины обшивки нескольких основных материалов рекомендуется использовать следующее соотношение.
Формула определения частоты среза диаметра проводника
Эффект Холла
При практических расчетах пренебрегают отдельными незначительными факторами. Например, для определения частоты среза (Fcp) схема радиоустройства рассчитывается по диаметру (D) соответствующего проводника. В формулу добавляется важнейшее свойство конкретного материала – удельное сопротивление (Rу) или электропроводность (Sу). Зависимость отмеченных параметров представлена следующим выражением:
Fср = 4/(π*μ*Sу*D2),
где μ — постоянная величина (μ = 4* Su*10-7 Генри на метр).
Принцип действия СКИН-ЭФФЕКТА
SKIN SYSTEM использует специальные нагревательные элементы, использующие явление скин-эффекта и эффекта близости в проводниках из ферромагнитных материалов при переменном токе промышленной частоты.
Нагревательный элемент представляет собой трубку из низкоуглеродистой стали наружным диаметром 20–60 мм и толщиной стенки не менее 2 мм, внутри которой находится проводник из немагнитного материала (медь или алюминий) с крестом участок 25–50 кв.м. Проводник на конце нагревательного рукава надежно соединен со стальной трубой, а в начале рукава между трубой и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из требуемой тепловой мощности и длина участка нагрева.
Переменный ток течет по всему сечению внутреннего проводника, так как при промышленной частоте в немагнитном материале с хорошей проводимостью нет заметного поверхностного эффекта. В ферромагнитном внешнем проводнике (стальной трубе) выражен скин-эффект и весь ток протекает через внутренний слой трубы толщиной ок. 1 мм, а потенциал внешней поверхности трубки остается практически нулевым. Из-за малой толщины скин-слоя основное тепловыделение (до 80 %) происходит в стальной трубе.
Преобразование
Для бытовых приборов, требующих подвода электричества постоянного тока к цепям, оно подается через блоки питания. Это схемы, включающие понижающий трансформатор и выпрямительный блок. При подключении блока питания к устройству следят за совпадением параметров напряжения и тока. Параметры указаны на корпусе устройства.
Электропитание от сети 50 Гц
В настоящее время оба вида электричества прекрасно существуют бок о бок в современном мире. Схемы смешанного питания для потребителей лишь дополняют друг друга.
Электроемкость уединенного проводника
Во-первых, рассмотрим концепцию одиночного проводника. Это такой проводник, который удален от других заряженных проводников и тел. При этом потенциал на нем будет зависеть от заряда.
Емкость одиночного проводника — это способность проводника удерживать распределенный заряд. Прежде всего, это зависит от формы лидера.
Если два таких тела разделить диэлектриком, например воздухом, слюдой, бумагой, керамикой и т д., то получится конденсатор. Емкость зависит от расстояния между пластинами и их площади, а также от разности потенциалов между ними.
Формулы описывают зависимость емкости от разности потенциалов и геометрических размеров плоского конденсатора. Подробнее о том, что такое электрическая емкость, вы можете узнать из нашей отдельной статьи.
А какая частота считается высокой?
Как уже было сказано, скин-эффект проявляется только на переменном сигнале и только на высоких частотах. До этого я намеренно обходил числовые значения со стороны частоты. Но что означает высокая частота?
Здесь стоит акцентировать внимание на том, что «высокие частоты» означают высокие по меркам электроники, а не по человеческому слуху. Борьба с проявлением скин-эффекта начинается на частотах выше 1 МГц. Там дело может дойти даже до того, что проводники делаются не сплошными, а полыми в виде трубочек. Потому что заход в центральную часть проводника становится не только ненужным, но и вредным для сигнала.
Естественно, скин-эффект проявляется и в слышимом диапазоне частот. Не зря этим пестрят все High-End издания. Но только хитрые маркетологи не говорят о том, как проявляется это влияние.
Формула определения частоты среза диаметра проводника
Энергетика и электротехника
При практических расчетах пренебрегают отдельными незначительными факторами. Например, для определения частоты среза (Fcp) схема радиоустройства рассчитывается по диаметру (D) соответствующего проводника. В формулу добавляется важнейшее свойство конкретного материала – удельное сопротивление (Rу) или электропроводность (Sу). Зависимость отмеченных параметров представлена следующим выражением:
Fср = 4/(π*μ*Sу*D2),
где μ — постоянная величина (μ = 4* Su*10-7 Генри на метр).
Толщина скин-слоя
Индуктивность проводника
Из определения, рассмотренного в предыдущем разделе, понятна обратная зависимость плотности тока от частоты сигнала. В следующей таблице визуально показан «активный» слой медного проводника. При многократном снижении потока энергии по глубине на определенном уровне нецелесообразно использовать толстые ЛЭП.
Параметр | Ценности | ||||
Частота сигнала, Гц | 50 | 60 | 10 000 | 100 000 | 1 000 000 |
Толщина слоя кожи и т.д. | 9.34 | 8,53 | 0,66 | 0,21 | 0,067 |
Первые два столбца показывают значения для стандартной сети переменного тока. Эти данные показывают, что относительно небольшое изменение частоты (10 Гц) делает бесполезным проводник (медь) диаметром 1,62 мм. Нетрудно подсчитать существенную экономию при построении длинной линии после соответствующей оптимизации параметров сигнала. Не следует забывать, что каждый металл отличается глубиной эффективного слоя. Какой вариант выбрать, станет ясно после тщательного изучения целевого назначения конструкции.
Аномальный скин-эффект
Тщательное изучение явления приводит к нескольким важным выводам. Как показано на конкретных примерах, скин-слой имеет небольшую глубину. Однако соответствующее расстояние намного меньше длины свободного пробега заряженных частиц. Не следует забывать, что на соответствующее движение необходимо затратить определенное количество энергии. Преодоление электрического сопротивления материала сопровождается нагревом.
При понижении температуры проводимость увеличивается. При этом свободный пробег увеличится, а толщина рассматриваемой части проводника уменьшится. На определенном уровне стандартный механизм волновых взаимодействий станет незначительным. Аномальный скин-эффект представляет собой изменение размера слоя, где плотность тока достаточно высока для практического использования.
Уравнения для распределения тока
Распределение тока в трех основных конфигурациях показано на рис. 5. Распределение тока J(D) в случае сплошной микрополосковой линии определяется следующим образом:
где h — высота проводника над/под слоем, мил; d — горизонтальное расстояние от центра проводника, мил.
Рис. 5 а — микрополосковая; б) полоса; c) двухполосная конфигурация
Однако в случае полосовой конфигурации необходимо учитывать соотношение между высотой слоя h1 над проводником и высотой слоя h2 под проводником. В этом случае высота h вершины слоя определяется следующим образом:
Высота h нижней части слоя определяется следующими условиями:
Эти уравнения легко экстраполируются на случай двойной полосковой линии путем прибавления высоты соответствующих диэлектрических слоев к каждой плоскости. В результате выражение (h1 + h2) из двух предыдущих уравнений заменяется выражением (h1 + h2 + h3). Мы уже видели соответствующее распределение тока на рисунке 3.
Более конкретно, в полосовых конфигурациях проводник толщиной t полностью погружается в слой препрега, располагая проводник ближе к опорному слою и снижая импеданс. Таким образом, приведенное выше уравнение несколько усложняется из-за текучести эпоксидной основы препрега. Но если известно, какой материал используется в качестве подложки, а какой в качестве препрега, то высоту препрега можно считать равной t.
Уравнение распределения тока также позволяет оценить величину перекрестных помех (IC). Эта интерференция в случае микрополосковой линии определяется следующим образом:
Перекрёстные помехи выражают как отношение между шумовым напряжением и амплитудой управляющего сигнала. Константа k зависит от времени нарастания фронта и длины взаимодействующих частей проводников.
Читайте также: Установка микроволновки на кронштейн: правила и советы, выбор места
Факторы, влияющие на скин-эффект
- Частота — скин-эффект увеличивается с увеличением частоты.
- Диаметр – скин-эффект увеличивается с увеличением диаметра проводника.
- Форма проводника. Поверхностный эффект больше в одножильном проводе и меньше в многожильном, потому что площадь поверхности сплошного провода больше.
- Тип материала — скин-эффект увеличивается по мере увеличения проницаемости материала (проницаемость — это способность материала поддерживать формирование магнитного поля).
Пример применения кабельного эффекта
Давайте рассмотрим практический пример использования кабелей в частотно-регулируемом приводе. Частота электрической энергии, протекающей по кабелю, составляет более 30 МГц. Энергия на такой высокой частоте не должна выходить за пределы кабельной связи, иначе излучение будет мешать нормальной работе рядом стоящего оборудования. Иногда бывает сложно найти и устранить причину нарушения.
Без надлежащего экранирования кабеля сильный уровень помех может нарушить работу любой операционной системы. Кроме того, длина кабеля также имеет предполагаемое ограничение, поскольку более длинный кабель излучает больше помех. Выбор кабеля в системе влияет на ее надежность. ЧРП подключается к двигателю кабелем, как показано на рисунке ниже, что играет важную роль в оптимизации производительности и долговечности ЧРП.
Применение
Скин-эффект позволяет обеспечить локальный нагрев части проводника при пропускании переменного тока. Этот принцип используется для обогрева трубопровода зимой. Правильное использование техники влечет за собой следующие преимущества:
- отсутствие сопутствующих контрольно-функциональных устройств;
- практически неограниченная длина пути;
- безопасное применение высоких температур.
Частотное распределение плотности тока используется для передачи информационных сигналов по линиям электропередач. При достаточном уменьшении длины волны близость к центральной части проводника не будет препятствием. Модулированная микроволновая составляющая проходит через поверхностный слой. Для создания пакетов данных и расшифровки используются специальные устройства кодирования (декодирования.
Примечание. Аналогичные механизмы используются в нефтяной промышленности для оценки продуктивности скважин. Скин-фактор определяет сопротивление движению жидкости в зоне пласта вблизи технологической скважины. По этому параметру производится оценка реального объема производства по сравнению с идеальными условиями.
Скорость направленного движения зарядов
Когда мы включаем свет в комнате, лампочка как будто сразу загорается. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорость света в вакууме). Если бы лампочка была на Луне, она зажглась бы всего за секунду.
Однако не стоит полагать, что свободные сборы, составляющие сегодняшний день, передвигаются с такой великолепной скоростью. Оказывается, их скорость составляет всего доли миллиметра в секунду.
Почему ток течет по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют между собой, и под действием электрического поля источника тока при замыкании цепи начинают двигаться почти одновременно по всему проводнику. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами и она близка к скорости света в вакууме. Скорость, с которой движутся сами заряды внутри проводника, может быть на много порядков меньше.
Итак, еще раз подчеркнем, что мы различаем две скорости.
1. Скорость распространения тока. Это скорость, с которой электрический сигнал передается по цепи. Ближе к км/с.
2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это средняя скорость движения зарядов, составляющих ток. Также называется рабочей скоростью.
Выведем теперь формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.
Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; обозначим величину свободного заряда (в случае металлического проводника, что наиболее важно для практики, это заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т.е их количество в единице объема) равна .
Свойства быстропеременных токов
Определение 1
Высокочастотные токи – это токи, частота которых превышает 10 000 Гц$. Для этих течений условия квазистационарности не выполняются. В процессе протекания такого тока по проводнику в проводнике возникают вихревые токи, которые генерируются изменениями магнитного поля с большой скоростью.
Изменения магнитного поля в проводнике происходят таким образом, что вихревой ток на его оси имеет направление, противоположное основному току, а на поверхности проводника течение этого тока совпадает с направлением основного тока.
Это означает, что высокочастотный ток имеет непостоянную плотность по сечению. Плотность тока в середине сечения проводника практически равна нулю. Она увеличивается по мере продвижения к внешней поверхности. При очень высокой частоте ток протекает через тонкий внешний слой проводника.
Готовые работы на аналогичную тему
- Курсовая работа Токи высокой частоты. Скин-эффект 440 руб.
- Абстрактные токи высокой частоты. Скин-эффект 250 руб.
- Испытайте высокочастотные токи. Скин-эффект 190 руб.
Получите выполненную работу или консультацию специалиста по вашему образовательному проекту Получить предложение
В настоящее время широко используются токи высокой частоты. Высокочастотные плавильные печи используются для быстрого нагрева металлических тел. Для упрочнения стальных деталей применяют токи высокой частоты. Объект помещают на короткое время внутрь катушки с высокочастотным током.
Поверхностный слой детали нагревается вихревыми токами, а внутренняя ее часть остается холодной. Деталь снимается с катушки, внутренняя часть быстро отводит тепло от поверхностного слоя, поверхность быстро остывает и затвердевает. Глубина нагрева регулируется временем выдержки детали в катушке и частотой тока. После такой процедуры поверхность детали становится твердой и прочной, внутри металл сохраняет свою эластичность и пластичность.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда, прошедшего за время через сечение проводника, к этому времени:
Подчеркнем, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока. Сила тока также может иметь знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбран из других соображений.
А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда будет течь ток) удобно зафиксировать определенное направление обхода цепи (например, против часовой стрелки) и считать силу тока положительным, если направление тока совпадает с направлением вращения, и отрицательным, если ток течет против направления вращения (ср с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если считать против часовой стрелки, и отрицательными, если считать по часовой стрелке).
Учёт эффекта в технике и борьба с ним
Это явление оказывает заметное влияние при увеличении частоты сигнала. Скин-эффект следует учитывать при проектировании цепей с переменным током (импульсным). В частности, вносят поправку в расчет катушки фильтра, колебательного контура, трансформатора.
Типичные пути решения выявленных проблем:
- уменьшение толщины проводника;
- создание пустотелых конструкций;
- формирование поверхностного слоя металла с лучшей проводимостью;
- устранение неровностей;
- плетение из нескольких изолированных стержней.
Примечание. Радикальное устранение вредных явлений организуют посредством передачи электроэнергии постоянным током.
Комплексная система
Система СКИН поставляется и устанавливается в полном комплекте, включающем:
— элементы системы отопления
– система контроля и управления
– система электроснабжения
Система электроснабжения выполняется в виде комплектной трансформаторной подстанции (КТП), включающей в себя распределительные ячейки по высокой и низкой стороне, специализированный симметрирующий трансформатор. ПТС размещается в специализированном обогреваемом и освещаемом контейнере.
Кроме того, возможно оснащение КТП пожарной сигнализацией и системой охлаждения.
Рассеивание тепла
Диапазон рабочих температур:
-50°С … +200°С
Источник питания
до 6 кВ ~ 50 Гц
Дизайн
Топливный элемент: труба из мягкой стали диаметром 20-60 мм с толщиной стенки 3-4 мм
Токопроводящая жила: специальная жила, устойчивая к высокому напряжению (до 5 кВ), термическим нагрузкам (до 200°C) и механическим нагрузкам при монтаже
Расчетное распределение температуры
Пример обогрева теплоизолированного трубопровода двумя ТЭНами в системе с суммарной мощностью 120 Вт/м. Диаметр трубы 108 мм, окружающий воздух = -35°C.
Эффективность SKIN SYSTEM по сравнению с другими типами обогревателей | План электроснабжения участка трубопровода, обогреваемого СКИН-эффектом |
Детали сертификации
Сертификат соответствия на систему электрообогрева ИРСН-15000 № РОСС RU.ГБ05.В02387. Разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору № РРС 00-31340 на применение взрывозащищенной системы электрообогрева ИРСН-15000. Сертификация по другим национальным стандартам доступна по запросу.
Глубина проникновения тока в металл
Явление скин-эффекта
Постоянный ток в проводнике распределяется по сечению равномерно, переменный ток распределяется по сечению неравномерно в зависимости от частоты тока (рис. 10.6.).
Рис. 10.6. Глубина проникновения тока в металл в зависимости от его частоты: а — постоянный, б, в, г — переменный 50, 10 000, 125 000 Гц соответственно
При пропускании переменного тока наибольшая противоэлектродвижущая сила индуцируется в центре проводника, охваченного полным магнитным потоком. Чем ближе к поверхности проводника, тем слабее магнитное поле, а следовательно, и меньше обратная ЭДС. Существованию этой силы соответствует появление в проводнике добавочного сопротивления, называемого индуктивным сопротивлением цепи. Когда он сталкивается с наибольшим индуктивным сопротивлением в центре проводника, ток будет иметь тенденцию проходить в направлении наименьшего сопротивления и выталкиваться на поверхность проводника.
Свойство высокочастотного тока протекать только по поверхностному слою проводника часто называют поверхностным эффектом, или же эффект кожи.
Плотность тока для разных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше индуктивное сопротивление в середине проводника и ниже плотность тока. Неравномерное распределение индукционных токов приводит к неравномерному нагреву деталей: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердечник либо вообще не нагревается, либо нагревается незначительно из-за теплопроводности стали.
Для количественной оценки явления поверхностного эффекта вводится понятие глубины проникновения тока 8 (дельта). При этом считается, что переменный ток протекает только в поверхностном слое, толщина которого равна глубине проникновения тока, и имеет на этой глубине равномерную плотность.
Текущая глубина проникновения или толщина слоя определяется по формуле:
где р — удельное электрическое сопротивление, Ом-мм2/м; р — магнитная проницаемость, Г/Э; f — текущая частота, Гц.
Поэтому с увеличением частоты глубина проникновения индуктивных токов уменьшается (рис.103, табл.10.4.). При изменении частоты тока можно изменить глубину проплавления 8 на широкой площади, а следовательно, и толщину слоя, через который протекает ток, что вызывает нагрев поверхности упрочняемой детали.
Из данных, приведенных в таблице, следует, что с повышением температуры нагрева металла глубина проникновения тока увеличивается и достигает максимального значения при температуре потери магнитных свойств — точке Кюри.
Таблица 10.4
Глубина проникновения тока в металл на разных частотах
Текущая частота, Гц | Текущая глубина проникновения, см | ||
Сталь 45 | Электролитический
медь |
||
при t=15°С,
Р = 2-10 -50м-см, ^ = 40 Гс/Э |
при t =800°С,
Р = 10 — 4 Ом-см, ^ = 1 Гс/Э |
при t = 15°С,
Р = 1,8.10 -6 Ом-см, ^ = 1 Гс/Э |
|
50 | 0,5 | 7,0 | 1,0 |
2500 | 0,067 | 1,0 | 0,13 |
10 000 | 0,034 | 0,5 | 0,07 |
100 000 | 0,011 | 0,16 | 0,022 |
1 000 000 | 0,0034 | 0,05 | 0,007 |
С повышением температуры нагрева (рис. 10.7.) стальных деталей удельное сопротивление р увеличивается и выше 1000 °С достигает максимального значения.
Рис. 10.7. Кривые изменения магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стали 45 в зависимости от температуры нагрева
Магнитная проницаемость в диапазоне 600…700°С практически не зависит от температуры, но при дальнейшем ее повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума (jli =1).
Для практических расчетов глубину проникновения 8 тока в металл рассчитывают по упрощенным формулам: для стальных деталей при температуре 15°С:
мм, а при температуре 760°С, мм
Где: S — глубина проникновения чулка, мм; f — текущая частота, Гц.
Для большинства сталей магнитные превращения происходят в области критических температур 765-780°С, где магнитная проницаемость резко падает и становится равной единице. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко увеличивается.
Наибольшее значение текущей глубины проплавления называется горячей глубиной проплавления
и обозначим ГФ- Приблизительно его можно определить по упрощенной формуле:
зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить следующим образом.
В первый момент начинается нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери магнитных свойств этого слоя увеличивается глубина проникновения тока и происходит нагрев более глубокого слоя. Прирост температуры в первом нагретом слое уменьшается.
После потери магнитных свойств второго слоя начинает быстро нагреваться третий слой и т д. Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения.
Повышение температуры в слое с теплой глубиной проникновения происходит за счет индукционных токов, а в более глубоких слоях — в основном за счет теплопроводности.
Этот процесс нагрева объясняет причину быстрого распространения тепла при нагреве ТВЧ, обусловленную изменением магнитных свойств. На рис. На рис. 10.5 представлен график индукционного нагрева, который показывает, что более быстрый нагрев происходит при температурах ниже точки Кюри (769°С). Выше этой критической точки нагрев замедляется из-за потери магнитных свойств стали и фазовых превращений.
Существует три основных метода поверхностной индукционной закалки в зависимости от размера, формы детали и особых требований к нагреву: одновременный, непрерывный последовательный и последовательный (альтернативный).
Эффект близости
В многослойных печатных платах этот эффект проявляется на достаточно низких частотах порядка 30 МГц. Ниже этого значения напряженность магнитного поля слишком мала, чтобы влиять на протекание тока. На низких частотах обратный ток течет по пути наименьшего сопротивления, заполняя всю площадь поперечного сечения проводника. Возвращаясь к источнику через силовой или заземляющий слои, этот ток стремится занять всю медную плоскость.
Однако по мере увеличения частоты сигнала увеличивается напряженность магнитного поля вокруг проводника, заставляя противоположный ток течь по цепям с наименьшей индуктивностью. В результате ток течет по узкому пути чуть выше или ниже проводника эталонного слоя.
Как видно из рисунка 1, под действием магнитного поля ток протекает на небольшой глубине по окружности проводника (этот участок показан красным цветом), что увеличивает его кажущееся сопротивление. Это явление называется поверхностным эффектом.
Под действием магнитного поля ток неравномерно распределяется по поверхности двух близко расположенных проводников (см рис. 1). Это происходит из-за эффекта близости. В результате ток в основном концентрируется на стороне проводника, обращенной к опорному слою, где наибольшая концентрация тока наблюдается на поверхности непосредственно под проводником.
Плотность обратного тока в микрополосковой линии. В асимметричной полосовой конфигурации (см рис. 3) эффект близости распределяет ток неравномерно между центральной частью проводника и удаленными эталонными слоями.
Необходимо понимать, куда именно будет течь обратный ток. Особенно важно иметь такое представление при использовании асимметричной страйповой конфигурации, когда один или два сигнальных слоя размещаются между двумя плоскостями.
В первую очередь следует точно знать не через какой слой будет протекать обратный ток, а как он будет распределяться по каждому слою. Кроме того, при наличии разрывов импеданса на пути обратного тока увеличивается площадь токовой петли, увеличиваются индуктивность и запаздывание.
Неоднородность импеданса обусловлена переходными отверстиями, через которые осуществляется связь между сигнальными проводниками и эталонными слоями с разными потенциалами. Другими словами, обратный ток должен «перескакивать» через границу между слоями, чтобы замкнуть токовую петлю, что увеличивает ее индуктивность и ухудшает качество сигнала. При протекании противоположного тока в параллельных слоях возникает резонансный режим, приводящий к сильным электромагнитным помехам из-за краевых эффектов.
Если эталонные слои имеют одинаковый постоянный потенциал, их можно сшить вместе, разместив ряд переходных отверстий рядом с сигнальным переходным отверстием, чтобы обеспечить более короткий путь обратного тока. Если опорные слои имеют разные потенциалы постоянного тока, между ними устанавливаются развязывающие конденсаторы (см рис. 4а). Однако такое подключение может вызвать помехи переменного тока между блоками питания.
Схема с двумя развязывающими конденсаторами, показанная на рис. 4b, является гораздо лучшим решением, поскольку исключает передачу шума от одного источника питания к другому. Хотя площадь токовой петли в этом случае немного больше, между слоями предусмотрена дополнительная развязка, уменьшающая импеданс цепи ЛЭП. Кроме того, через межслойную емкость протекает часть обратного тока, замыкающего цепь.
Способы подавления скин эффекта
Эти приемы особенно важны при работе с высокочастотными радиосигналами. Специально для улучшения проводимости поверхностный слой выполнен из серебра, платины и других драгоценных металлов. На практике при создании качественной аудиоаппаратуры используются следующие рекомендации:
- для передачи сигналов используются тонкие (0,25-0,35 мм) жилы;
- оплетка кабеля исключает значительные искажения силовых линий магнитного поля;
- надежная изоляция предотвращает окисление меди;
- проверьте наличие поблизости других линий, которые могут создавать вредные взаимные помехи.
Волоконно-оптическая линия связи
При переключении на микроволновый диапазон сигналы передаются по волноводам. Устранить возможные негативные проявления за счет передачи данных сигналами в оптическом диапазоне.