§ 87. СКИН-ЭФФЕКТ

Рассмотрим распространение электромагнитной волны в проводящей среде. Для этого воспользуемся уравнениями Максвелла (45.9) и возьмем ротор от второго из них. Принимая и используя первое и четвертое уравнения, а также векторное тождество и закон Ома получим уравнение для магнитного поля:

Отсюда следует дисперсионное уравнение

Рассмотрим эволюцию начального состояния поля (с заданным Решая (87.2) относительно и, получим

При магнитное поле затухает с характерным временем . В среде с хорошей проводимостью имеется два характерных времени затухания

Обратим внимание, что для быстрого затухания а для медленного о.

Аналогичным образом можно получить уравнение для электрического поля в среде, которое имеет вид

где — плотность свободных зарядов. Если их нет, то электрическое-поле затухает так же, как и магнитное. При наличии зарядов электрическое поле можно представить как , где Тогда уравнение (87.5) распадается на два, причем выражение для совпадает с (87.1), поскольку Еывр Формула для от принимает вид

поскольку Уравнение (87.6) эквивалентно рассмотренному ранее уравнению релаксации зарядов в среде (23.1), в чем легко убедиться, взяв дивергенцию от его левой части. Поэтому, как и заряды, потенциальная составляющая поля всегда затухает с характерным временем (87.4).

Рассмотрим теперь другую задачу: на границу проводящей среды падает электромагнитная волна заданной частоты и. Каково затухание волны в пространстве? Оно определяется мнимой частью. к из (87.2):

где — характерная глубина проникновения переменного электромагнитного поля в проводящую среду, называемая толщиной скин-слоя (от англ. skin — кожа).

В среде с плохой проводимостью

где имеет обычный вид. В обратном предельном случае

а фазовая скорость

Для промышленной частоты 50 Гц ( км) толщина скин-слоя в меди см, а в железе мм, см/с. В радиодиапазоне мм; (для меди).

Найдем теперь соотношение между электрическим и магнитным полями затухающей волны Проще всего его получить из первого уравнения (45.9): или, так как

Поскольку для хороших проводников (медь) а то в радиодиапазоне так что речь идет о затухании магнитного поля. Такое большое значение связано с отражением волны от поверхности хорошего проводника (см. § 72), при котором электрические поля падающей и отраженной волны почти компенсируют друг друга. Соотношение (87.10) определяет, таким образом, так называемые граничные условия Леонтовича при отражении волны от проводника с конечной проводимостью для компонент поля, касательных к поверхности.

Задача 1. Вычислить сопротивление проводника с учетом скин-эффекта Из закона Ома находим полный ток в скин-слое:

Действительная часть этого выражения определяет омическое сопротивление проводника (на единицу длины и единицу поперечного размера): мнимая — его внутреннюю индуктивность:

Вычислим теперь потери энергии в проводнике. Для этого найдем модуль вектора Пойнтинга на поверхности проводника. Получим прежде всего выражение для векторного произведения комплексных векторов: где — угол между ними, направленный от вектора а к Представляя получим Таким образом,

Отсюда

Это выражение имеет очень простой физический смысл: поток энергии равен плотности энергии в проводнике вблизи его границы, умноженной на скорость движения волны внутри проводника

Этот же результат можно получить и непосредственным интегрированием джоулевых потерь внутри проводника:

Наиболее распространенное применение скин-эффекта — экранирование от переменного магнитного поля. Последнее может быть вредно как само по себе, так и благодаря связанному с ним вихревому электрическому полю, создающему различные электрические наводки. Экранирование осуществляется путем окружения защищаемой аппаратуры достаточно толстым проводящим экраном. Практическая трудность связана с тем, что обычно экран не может быть полностью замкнутым. Необходимы, например, различные отверстия для подвода питания аппаратуры, наблюдения за ней и т. д. Интересно отметить, что такие экраны ослабляют поле сильнее, чем по простому экспоненциальному закону (см. задачи 2, 3).

Задача 2. Найти коэффициент экранирования цилиндрического экрана радиуса толщина стенок которого много меньше скин-слоя. Магнитное поле параллельно оси цилиндра.

Ввиду условия поля внутри стенок, а значит, и плотность тока можно считать однородными. Тогда ток в экране (на единицу его длины) можно определить просто по закону Фарадея:

где — поле внутри экрана. Закон сохранения циркуляции магнитного поля дает где — внешнее поле. Для коэффициента экранирования получаем

Здесь, кроме малого множителя который возникает при разложении экспоненты появляется большой множитель . Такой же множитель появляется и при сильном скин-эффекте . Физическая причина дополнительного ослабления поля в экранируемом пространстве связана с тем, что «хвост» потока в сплошном металле распределяется на большую площадь . В результате для коэффициента экранирования получается следующая простая оценка:

Другим важным применением скин-эффекта является формирование магнитного поля нужной конфигурации, которая повторяет форму проводящей поверхности с точностью до толщины скин-слоя.

Скин-эффект приводит к своеобразному взаимодействию переменного тока с проводящей стенкой (рис. XII.5). Так как силовые линии не проникают в глубь проводника, то при достаточно малой толщине скин-слоя нормальная составляющая магнитного поля на поверхности близка к нулю. Поэтому конфигурация магнитного

Рис. XII.5. Поля импульсного пучка электронов вблизи проводящей поверхности.

поля тока вблизи проводящей плоской стенки эквивалентна полю двух токов разного направления. Один из них называется обычно изображением тока по аналогии с электростатическим изображением заряда. Таким образом, ток «отталкивается» от проводящей поверхности.

Если ток создается пучком заряженных частиц, то кроме взаимодействия тока со стенкой, есть еще взаимодействие заряда, которое приводит к притяжению пучка стенкой. Последнее всегда сильнее, так что в результате получается притяжение к стенке, равное на единицу длины пучка (сравни (30.4))

Если скомпенсировать электрический заряд пучка, то результирующая сила изменит направление; такой пучок будет отталкиваться от стенки (рис. XII.6). На этом явлении основан интересный метод фокусировки пучка в металлической трубе, остроумно названный ФУКОсировкой. Так как пучок отталкивается трубой «со всех сторон», он устойчиво движется вдоль оси трубы. Такая фокусировка позволяет транспортировать достаточно интенсивный пучок по изогнутой трубе и, в частности, удерживать его в кольцевой трубе.

Рис. XII.6. Отражение пучка электронов от металлической пластинки.

Название этой самофокусировки связано с тем, что токи, наводимые переменным полем в проводнике, известны как токи Фуко, по имени французского ученого, впервые описавшего это явление.

Задача 3. Оценить магнитное поле вблизи центра тонкого проводящего диска радиуса и толщины помещенного в однородное переменное магнитное поле, если

Токи Фуко плотностью возбуждаемые в диске, создают на его оси поле (см. (28.4))

В свою очередь, ток в кольце донцентрнческом с диском,

- сопротивление кольца, -полное поле в плоскости кольца. Подчеркнем, что здесь учтена индуктивность кольца, так как ЭДС индукции вычисляется через сумму внешнего поля и поля токов Фуко (ср. (48.4) и задачу 2).

Аналитически система уравнений не решается. Для оценки можно принять где — поле в центре диска. Тогда

откуда

(сравни задачу 2 и комментарий к ней).

Рассмотрим теперь нестационарный скин-эффект, когда зависимость магнитного поля от времени на границе проводника не является гармонической. Если по-прежнему пренебречь токами смещения по сравнению с токами проводимости, то из (87.1) приходим к уравнению диффузионного типа:

Такой же вид имеет и уравнение теплопроводности (см. (87.37) ниже). Коэффициент диффузии магнитного поля

Простейший случай настационарного скин-эффекта соответствует экспоненциальному росту внешнего поля . Такая зависимость получается из гармонической формальной заменой: Тогда для одномерной задачи решение диффузионного уравнения (87.14) сразу получается из (87.9) такой же

заменой:

Эффективная толщина скин-слоя

не зависит от времени, как и в стационарном случае. Решение (87.16) можно интерпретировать как диффузионное распространение фронта магнитного поля вглубь проводника

со скоростью

Последнее неравенство есть условие применимости диффузионного приближения (87.14), т. е. пренебрежение токами смещения. Например, для меди с диффузионная скорость

Рассмотрим теперь более сложную задачу о нестационарном скин-эффекте при быстром («мгновенном») включении гармонического поля:

Частоту поля а также толщину стационарного скин-слоя полагаем равными единице. Фурье-спектр поля (87.20)

содержит низкие частоты которые и будут определять значительно более сильное проникновение поля в проводник по сравнению со стационарным скин-эффектом на частоте . Пренебрегая последним (ср. спектры (87.21) и (78.8)) и считая характерную область частот (см. ниже), можем написать решение в виде фурье-интеграла:

Мы использовали здесь выражение для стационарного скин-эффекта на частоте фурье-гармоники со в виде

Легко проверить, что это выражение справедливо как для так и для

Вычисление интеграла (87.22) производится с помощью замены переменой: и приведения показателя экспоненты к полному квадрату (ср. (85.6)). В результате получаем

где новая переменная . Поскольку внешнее поле (87.20) можно представить в виде выражение

где (87.26)

описывает нестационарный скин-эффект при включении внешнего поля и в точности совпадает с результатом работы [15], полученным другим методом.

При фиксированной глубине функция достигает максимального значения

в момент времени Таким образом, максимальное поле убывает с глубиной значительно медленнее, чем при стационарном скин-эффекте. Отметим, что в заданный момент времени поле внутри проводника имеет максимум при равный

В принятом приближении все полученные выражения справедливы только для (см. 87.23). Поэтому решение (87.24) не удовлетворяет граничному условию где нужно учитывать также отброшенный стационарный вклад в скин-эффект, который сответствует частотам в полном спектре (78.8) внешнего поля (87.20).

С принятой точностью вклад от поля который дается действительной частью интеграла (87.24), равен нулю, т. е. такое поле проникает в проводник значительно слабее. Чтобы вычислить этот малый вклад, представим спектр внешнего поля (87.20) в виде ряда (см. (87.21)):

Первый член этого ряда соответствует аппроксимации внешнего поля -функцией:

а последующие члены — ее производным:

На первый взгляд такое представление внешнего поля (87.20) кажется странным. Однако учтем, что мы ищем решение в области Тогда роль -функции играет первый полупериод что и приводит к основному отличию от стационарного скин-эффекта.

Для внешнего поля со спектром (87.29) решение также можно представить в виде ряда:

В частности, первое (и наибольшее) действительное слагаемое дает приближенное решение задачи о скин-эффекте при включении внешнего поля

Это решение тоже совпадает с полученным в [15].

При заданном функция достигает максимума в момент равного

Это максимальное поле значительно меньше поля, возникающего при включении Поскольку в ряде (87.32) действительные и мнимые члены чередуются, точность решений (87.25) и (87.33) порядка

Решение (87.32) можно использовать и при другой зависимости от времени внешнего поля нужно лишь знать его спектр в области низких частот.

Оказывается, что явление скин-эффекта не ограничивается электромагнитными процессами, а имеет место также и при распространении тепла. Действительно, плотность потока тепла определяется следующим уравнением:

где Т — температура, а — коэффициент теплопроводности. Подсчитаем баланс тепла в некотором объеме V, ограниченном замкнутой поверхностью

— удельная теплоемкость среды. Отсюда

Это уравнение в точности совпадает с уравнением (87.14). Следовательно, должен иметь место тепловой скин-эффект.

Наиболее важным его проявлением служит распространение годовых колебаний температуры вглубь земли. Считая этот процесс гармоническим с частотой найдем толщину скин-слоя

и скорость распространения тепловой волны

Численные значения приведены для грунта средней влажности.

Вследствие теплового скин-эффекта температура на глубине остается практически постоянной и равной приближенно средней годовой температуре на поверхности в этом месте. Это обстоятельство можно использовать для простого измерения средней годовой температуры. Если последняя оказывается ниже образуется так называемая «вечная мерзлота». В этом случае почва оттаивает лишь на глубине Из-за сдвига фазы тепловой волны оттаивание отстает, более или менее значительно, от температуры на поверхности. Этот же эффект приводит к запаздыванию таяния толстого льда. Например, в Арктике он тает только в сентябре [16].

Для некоторых прецизионных измерепий необходима высокая стабильность температуры, которую проще всего достигнуть, «закопавшись» в землю. При глубине годовые колебания температуры снижаются до Это явление издревле использовалось людьми для создания естественных холодильников — погребов. Интересно отметить, что из-за сдвига фазы летняя температура воздуха в погребе на глубине ниже зимней, хотя эта разница и невелика: — годовые колебания температуры в Сибири.