Чем объясняется увеличение сопротивления проводников переменному току

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Увеличение сопротивления проводника объясняется тем, что при переменном токе получается неодинаковая плотность тока в сечении проводника. В то время как у поверхности проводника плотность тока увеличивается, в центре плотность тока уменьшается. Ори высокой частоте эта неравномерность проявляется так резко, что плотность тока в значительной части сечения проводника практически равна нулю и ток проходит только в поверхностном слое, отчего это явление получило название поверхностного эффекта. Таким образом, поверхностный эффект и приводит к уменьшению сечения проводника, по которому проходит ток ( активного сечения), и, следовательно, к увеличению его сопротивления по сравнению с сопротивлением постоянному току.  [1]

Увеличение сопротивления проводника при переменном токе вызвано неодинаковой плотностью тока по сечению проводника, например, для проводника цилиндрического сечения различной плотностью тока в слоях, находящихся на разных расстояниях от оси.  [3]

Увеличение сопротивления проводника при прохождении по нему переменного тока выражается коэф-том 7се, представляющим собой отношение эфф.  [4]

Увеличение сопротивления проводника объясняется тем, что при переменном токе плотность тока не одинакова в различных точках поперечного сечения проводника. У поверхности проводника плотность тока получается больше, чем при постоянном токе, а в центре меньше.  [6]

Увеличение сопротивления проводников катушек якоря и полюсов может произойти из-за надрыва и трещин в проводниках или повреждений соединительных звеньев — распайки концов обмотки в петушках коллектора якоря, ослабления крепления или распайки наконечников. Снижается это сопротивление, как правило, вследствие пробоя изоляции между витками обмотки.  [8]

Вследствие увеличения сопротивления проводников из-за эффекта вытеснения тока создаются дополнительные потери энергии.  [9]

При увеличении сопротивления проводника количество выделяемого тепла увеличивается во столько раз, во сколько раз увеличивается сопротивление. Кроме того, чем больше времени проводник находится под током, тем больше тепла в нем выделяется.  [10]

В трансформаторах увеличение сопротивления проводников помимо прочих факторов зависит также от устройства обмоток и сечения провода.  [11]

Это приводит к увеличению сопротивления проводника переменному току по сравнению с сопротивлением постоянному току.  [12]

Скин-эффект приводит к увеличению сопротивления проводников по сравнению с его значением для постоянного тока.  [13]

Из всех перечисленных физических явлений, вызывающих увеличение сопротивления проводников переменному току, наибольшее практическое значение имеет явление поверхностного эффекта, которое мы и рассмотрим подробно.  [14]

Это выражение является приближенным, так как не учитывает увеличения сопротивления проводника по мере возрастания его температуры; но поскольку здесь может идти речь лишь о небольших повышениях температуры, да и те требуется лишь приближенно оценить, точность его для данной цели может считаться вполне достаточной.  [15]

Поверхностный эффект и эффект близости

Сопротивление проводника постоянному току определяется по известной формуле r о= ρ l/S .

Это сопротивление можно также определить, зная величину постоянного тока I о и мощность Р о :

r о = P о / I о 2

Оказывается, что в цепи переменного тока сопротивление r того же проводника больше сопротивления постоян ному току: r > r о

Это сопротивление r в отличие от сопротивления постоянному току r о и носит название активного сопротивления. Увеличение сопротивления проводника объясняется тем, что при переменном токе плотность тока не одинакова в различных точках поперечного сечения проводника. У поверхности проводника плотность тока получается больше, чем при постоянном токе, а и центре меньше.

При высокой частоте неравномерность проявляется так резко, что плотность тока в значительной центральной чисти сечения проводника практически равна нулю , ток проходит только в поверхностном слое, отчего это явление и получило название поверхностного эффекта .

Таким образом, поверхностный эффект приводит к уменьшению сечения проводника, по которому проходит ток (активного сечения), и, следовательно, к увеличению его сопротивления по сравнению с сопротивлением постоянному току.

Для объяснения причины возникновения поверхностного эффекта представим цилиндрический провод (рис. 1 ) состоящим из большего числа элементарных проводников одинакового сечения, прилегающих вплотную друг к другу и расположенных концентрическими слоями.

Сопротивления этих проводников постоянному току, найденные по формуле ρ l/S будут одинаковы.

Рис. 1. Магнитное поле цилиндрического проводника.

При переменном электрическом токе вокруг каждого проводника создается переменное магнитное поле (рис. 1 ). Очевидно, элементарный проводник, расположенный ближе к оси, охватывается большим магнитным потоком проводник, расположенный у поверхности провода , поэтому первый обладает большей индуктивностью и индуктивным сопротивлением, чем второй.

При одинаковом напряжении на концах элементарных проводников длиной l, расположенных у оси и у поверхности, плотность тока в первых меньше, чем во вторых.

Разница в плотностях тока у оси и на периферии провода возрастает с увеличением диаметра провода d, проводимости материала γ , магнитной проницаемости материала μ и частоты переменного тока f.

Отношение активного сопротивления проводника r к его сопротивлению при. постоянном, токе r о называется коэффициентом поверхностного эффекта и обозначается буквой ξ (кси), следовательно, к оэффициент ξ можно определить по графику рис. 2 , на котором представлена зависимость ξ от произведения d и √ γμμо f .

Рис. 2. График для определения коэффициента поверхностного эффекта.

При вычислении этого произведения следует выражать d в см, γ — в 1/ом-см, μо — в гн /см и f = в гц.

Пример. Необходимо определить коэффициент поверхностного эффекта дл я медного проводника диаметром d = 11 ,3 мм (S = 100 мм2 ) при частоте f = 150 гц.

По графику на рис. 2 находим ξ = 1,03

Неодинаковая плотность тока в проводе получается также из-за влияния токов в соседних проводах. Это явление называется эффектом близости .

Рассматривая магнитное поле токов одною направления в двух параллельно расположенных проводах, легко показать, что те элементарные проводники, принадлежащие разным проводам, которые наиболее удалены друг от друга, сцеплены с наименьшим магнитным потоком, следовательно, плотность тока в них наибольшая. Если токи в параллельных проводах имеют, разные направления, то можно показать, что большая плотность тока наблюдается в тех элементарных проводниках, принадлежащих разным проводам, которые наиболее сближены друг с другом.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Что такое скин-эффект и где он применяется на практике

Скин-эффект представляет собой электромагнитное явление, которое означает, что на высокой частоте, электрический ток циркулирует только на поверхности проводников. Это явление электромагнитного происхождения существует для всех проводников, через которые проходят переменные токи. Это вызывает уменьшение плотности тока по мере удаления от периферии проводника.

Итак, скин-эффект заключается в возникновении переменных токов, текущих только у поверхности проводника. Глубина проникания токов, выражается математически как

где f — частота изменения поля; μ — магнитная проницаемость; с — удельная электрическая проводимость и к — константа.

Чем выше частота тока, или больше скорость его изменения во времени, тем сильнее проявляется скин-эффект.

При микроволновых частотах токи текут в тонком поверхностном слое проводника, проникая на глубину, не превышающую нескольких межмолекулярных расстояний (магнитное поле внутри проводника отсутвует).

Скин-эффект приводит к уменьшению действующего сечения проводника и, как следствие, к увеличению сопротивления проводника, индуктивность проводника при этом уменьшается.

Распределение плотности тока в твердом проводнике при прохождении по нему: а) постоянного ток и б) переменного тока

Объяснение поверхностного эффекта

Электроны, движущиеся у поверхности проводника и вносящие свой вклад в электрический ток, подвержены действию магнитного потока от других движущихся электронов в меньшей степени, чем те электроны, которые находятся в проводнике на больших глубинах.

Это объясняется тем, что поверхностные электроны испытывают влияние соседних электронов только с одной стороны, тогда как глубинные электроны окружены соседними электронами со всех сторон. Поскольку глубинные электроны, участвующие в создании переменного тока, находятся под действием более сильного магнитного поля, к ним приложены большие силы Ленца.

Рассматривая эти условия под иным углом зрения, можно сказать, что глубинные электроны характеризуются большей взаимной индуктивностью по отношению к соседним электронам, чем поверхностные электроны.

Следовательно, для электронов легче изменить свое движение, если они находятся вблизи поверхности проводника, по сравнению с электронами, находящимися глубже.

Поскольку носители всегда выбирают оптимальную траекторию (соответствующую условию минимальной энергии), в данном случае носители, образующие переменный ток, под действием боковых сил Ленца перемещаются наружу, в область минимальной взаимной индукции, т. е. к поверхности проводника.

Градиент индуктивности внутри проводящего тела обусловливает изменение фазового угла вдоль поперечного сечения тела. Не исключается даже возможность противоположных направлений движения электронов в разных частях одного и того же тела.

Эквивалентная толщина проводящего слоя δ (а также глубина скин-слоя) и фактическое распределение тока в поперечном сечении проводника

Аналогичные явления наблюдаются при возникновении эффекта близости, в основе которого лежит перераспределение носителей, обусловливающих переменный ток, при сближении двух проводников.

Носители заряда, движущиеся в одном из проводников, создают силы, воздействующие на носители в другом проводнике, расположенном поблизости. В результате этого носители заряда в каждом из проводников перемещаются в положение, соответствующее минимуму взаимной индуктивности.

Как скин-эффект, так и эффект близости приводят к перераспределению носителей, эквивалентному уменьшению площади поперечного сечения проводника, через которое течет ток. Следствием этого является увеличение сопротивления проводника, причем сопротивление будет тем больше, чем выше частота переменного тока.

Применение поверхностного эффетка на практике

Снижение действия скин-эффекта в линиях электропередачи с расщепленными фазами:

На ВЛ напряжением 330 кВ и выше фазный провод составляется из нескольких проводов, подвешенных параллельно на некотором расстоянии друг от друга. Такие фазные провода называются расщепленными. Одиночный провод, использующий такое же количество металла на километр, будет иметь более высокие потери из-за скин-эффекта.

В пролетах на линиях электропередачи с расщепленными фазами применяют дистанционные распорки, которые предотвращают схлестывание, соударения и закручивание отдельных проводов фаз.

Также на благодаря скин-эффекту по воздушным линиям электропередачи организовывают передачу высокочастотных сигналов для работы систем телемеханики и связи (такие системы позволяют управлять оборудованием входящим в электрические сети на большом расстоянии).

Эти сигналы передаются на высоких частотах и, соответственно, идут по поверхности провода, а основная передача электроэнергии происходит на низкой частоте (50Гц) по внутренней части провода.

В современной технике сверхвысоких частот многие детали (волноводы, коаксиальные линии) покрывают тонким, хорошо проводящим слоем серебра, так как их сопротивление практически обусловлено только поверхностным слоем.

Промышленная индукционная закалка:

Скин-эффект используется в работе индукционных закалочных установок, для того что бы можно было нагревать металл на нужную глубину. Этого добиваются путем регулирования частоты напряжения на индукторе (чем больше частота — тем меньший слой металла при закалке будет нагрет).

Эта статья предоставлена сайтом «Школа для электрика». Другие электрические и магнитные эффекты подробно и в доступном для понимания изложении рассмотрены здесь: Электрические эффекты и явления

Проводники и диэлектрики

Все существующие природные вещества по степени электропроводности условно разделяют на три группы: проводники электрического тока, диэлектрические и полупроводниковые материалы.

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники это вещества, имеющие в своей структуре массу свободных электрических зарядов, способных перемещаться под воздействием внешней силы по всему объёму материала.

К группе проводников в электростатическом поле относят металлы и их соединения, некоторые виды электротехнического угля, растворы солей (кислот, щелочей), ионизированные газы.

Лучшим проводящим материалом считается металл, например, золото, платина, медь, алюминий. К неметаллическим веществам, проводящим ток, относится углерод.

Диэлектрики – вещества, противоположные по своим свойствам проводникам. При отсутствии нагревания заряженные частицы в нейтральном атоме тесно взаимосвязаны и не могут осуществлять движения в объеме материала. В связи с этим электрический ток в непроводнике протекать не может.

К материалам, непроводящим электрический ток, относят: керамику, резину, бумагу, стекло, фарфор, смолу, сухую древесину. Лучшим диэлектриком считается газ. Качества диэлектриков зависят от температуры и влажности среды, в которой они находятся.

Важно! При повышении влажности диэлектрики могут лишиться непроводящих способностей.

Проводники и диэлектрики активно используют в электротехнической области. Пример – материалом, из которого производят провода (кабели), служат проводники, изготовленные из металла. Изолирующие оболочки для них производят из диэлектриков – полимеров.

Лучшими считаются проводники, сырьем для производства которых послужило серебро, золото или платина. Повсеместное их использование ограничивается только большой стоимостью материала. Такие изделия нашли применение в оборонной и космической промышленности. В этих сферах важно обеспечение самого высокого качества оборудования, независимо от его стоимости.

Гораздо шире область применения медных и алюминиевых материалов. Невысокая стоимость и отличные проводящие качества позволили использовать их во многих отраслях хозяйствования.

В диэлектриках повышение температуры может приводить к возникновению свободных электрических зарядов. Это электроны, оторвавшиеся от ядра из-за температурных колебаний. Обычно это небольшое количество свободных зарядов. Но существуют изоляторы, в которых это число достигает существенных размеров. В этом случае изоляционные качества диэлектрика ухудшаются.

Обратите внимание! Надежным считается диэлектрик, если возникающий в нём небольшой ток утечки не мешает работе всей системы.

Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода. Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества.

Свойства проводников

Основными характеристиками проводников электричества являются:

1. сопротивление,
2. электропроводность.

При движении электронов по проводящему веществу происходят их столкновения с ионами и атомами. Это приводит к возникновению сопротивления.

Если между двумя проводниками создать разность потенциалов, то через третий, их соединяющий, потечет электрический ток. Направление его движения будет от большего потенциала к меньшему. В этом случае носителями будут электроны, не связанные между собой, которые определяют значение электропроводимости вещества.

Электропроводность – возможность материала пропускать электрический ток. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению материала, измеряется в сименсах, См.

В зависимости от носителей заряда, электропроводность может быть:

• электронной,
• ионной,
• дырочной.

Обратите внимание! Надежный проводник характеризуется малым сопротивлением потоку движущихся электронов и, соответственно, высокой электропроводностью. Наибольшая проводимость – свойство наилучшего проводника.

Выбор проводящих материалов должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

• Электрическими (удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления);
• Физическими (градус плавления, плотность);
• Механическими (устойчивость к растяжению, изгибанию, возможность обработки на станках);
• Химическими (взаимодействие с окружающей средой, возможность соединения при сварке, пайке).

Малым удельным сопротивлением обладают металлы без примесей. У сплавов этот показатель увеличивается. Сопротивление возрастает и с повышением температуры.

Важно! При охлаждении до критических значений сопротивление большинства токопроводящих веществ падает до нуля. Это свойство носит название сверхпроводимости.

При выборе проводников для электроустановок, линий питания, защитного заземления и других сфер применения важно учитывать все качества материалов.

Зависимость сопротивления проводника от частоты тока

При воздействии электрического тока индукция магнитного поля происходит внутри прямолинейного проводника и в окружающем его пространстве. Магнитные линии образуют концентрические окружности.

Если проводник с током условно разбить на несколько параллельных друг другу нитей тока, то можно установить, что, чем ближе токовая нить находится к оси проводника, тем больший замыкающийся внутри магнитный поток её охватывает. Индуктивность нити и индуктивное сопротивление находятся в пропорциональной зависимости от магнитного потока, с нею связанного.

В связи с этим в нитях с переменным током, находящихся внутри проводящего вещества, возникает большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, находящихся снаружи. Образуется неравномерность тока по сечению, возрастающая от оси к поверхности проводника, чем и объясняется увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется поверхностным эффектом.

Из-за неравномерного распределения плотности тока происходит увеличение сопротивления проводника. При небольшой частоте в 50 Гц и малом сечении медного провода явление поверхностного эффекта почти незаметно. При значительном увеличении частоты и сечения проводника из железа это явление будет более активным.

Обратите внимание! Чем выше частота тока в цепи, тем ближе к поверхности проводника находятся электрические заряды, и тем больше возрастает его сопротивление.

Формула определения длины проводника

Найти длину проводника можно путём непосредственного его измерения, например, рулеткой. Если предстоит подсчитать протяженность скрытой электропроводки в жилище, нужно учесть, что прокладывают её обычно горизонтально по стенам на расстоянии 15-20 см от потолка. Вертикально, под прямым углом, делают опуски на выключатели и розетки. Если проводник труднодоступен (заземляющие проводники), либо длина его велика, этот метод может оказаться сложно выполнимым.

Тогда длина проводника определяется другим способом. Для этого необходимо подготовить:

• строительную рулетку,
• тестер,
• штангенциркуль,
• таблицу электропроводности металлов.

Сначала нужно измерить сопротивление отдельных участков электропроводки. Далее определить сечение провода и материал, из которого он изготовлен. Обычно в быту используются алюминиевые или медные проводящие материалы.

Из формулы определения сопротивления (R = r * L * s) находят длину проводника по формуле:

где:

• L – длина провода,
• R – его сопротивление,
• r – удельное сопротивление материала (для меди составляет от 0,0154 до 0,0174 Ом, для алюминия – от 0,0262 до 0,0278 Ом),
• s – площадь поперечного сечения провода.

Рассчитывают сечение провода:

S = π/4 * D2,

где:

• π – число, приблизительно равное 3,14;
• D – диаметр, замеряемый штангенциркулем.

Если необходимо найти длину провода, смотанного в бухту, определяют длину одного витка в метрах и умножают на число витков.

Если катушка круглого сечения, измеряют её диаметр, умножают на число π и на количество витков:

L = d * π * n,

где:

• d – диаметр катушки,
• n – число витков провода.

Виды проводников

Состояние проводящих электрический ток материалов может быть твердым, жидким, газообразным.

Твёрдые – это группы металлов, их сплавов и некоторые модификации углерода. Металлы хорошо проводят тепло, электроэнергию.

Жидкие – это расплавленные металлы и электролиты. При невысокой температуре жидким проводником может быть ртуть или галлий. Температура плавления остальных элементов слишком высока.

Течение тока по металлу, имеющему твёрдое или жидкое состояние, происходит посредством движения свободных электронов. Благодаря этому, его электропроводность получила название электронной, а само вещество называют проводником первого рода.

Проводник второго рода (электролит) – это кислотный, щелочной, солевой раствор и расплав ионных соединений. В нём одновременно с движением тока переносятся молекулы (ионы), поэтому со временем структура электролита меняется, а на электродах осаживается продукт электролиза.

В электрическом поле низкой напряженности любой газ и пар не проводят ток. Но в случае достижения напряженностью максимальной критической отметки, когда начинаются ударная и фото-ионизация, газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Когда на единицу объема будет приходиться одинаковое число электронов и положительных ионов, газ с сильной ионизацией станет уравновешенной, электропроводящей субстанцией, именуемой плазмой.

Свойства диэлектриков

Выбор диэлектриков должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

1. Электрическими: пробивное напряжение (при котором наступает пробой), электрическая прочность (напряженность поля, при которой наступает пробой);
2. Физико-химическими: стойкость к нагреванию (способность длительно выдерживать рабочую температуру), холодостойкость (способность переносить перепады температур), смачиваемость (способность отторгать влагу);
3. Химическими: устойчивость к агрессивной среде, растворимость в лаках, возможность склеивания;
4. Механическими: радиационная устойчивость, вязкость (для жидких диэлектриков), защищенность от коррозии, предел прочности, возможность инструментальной обработки.

Что такое полупроводник

Полупроводник по обозначению – вещество, электрическая проводимость которого меньше, чем у металла, и больше, чем у диэлектрика.

Отличие полупроводника в том, что его электропроводность зависит от температурного режима и объема примесей в составе. Материал обладает характеристиками, как проводящими, так и диэлектрическими.

При увеличении температуры электропроводность вещества растёт, а уровень сопротивления падает. При уменьшении температуры сопротивление стремится к бесконечности.

Обратите внимание! При достижении температурой нулевой отметки полупроводник ведет себя как изолятор.

Благодаря своим уникальным свойствам, полупроводники применяются во многих отраслях промышленности: это и маломощные SMD на печатных платах, и устройства высокой мощности, например, тиристоры в силовой преобразовательной технике.

Зонная теория

Зонная теория твердых тел – это теория перемещения валентных электронов в потенциальном поле кристаллической решетки. Квантовая механика полагает, что свободные электроны могут обладать любой энергией, спектр которой непрерывен.

Электроны изолированных атомов имеют некоторую дискретную величину энергии. При объединении отдельных атомов в молекулы и образовании вещества происходит смещение электронных уровней атома. Таким образом, из энергетических уровней отдельных атомов в твёрдом теле образуются полосы зон энергетических уровней.

Верхняя заполненная зона, валентная, соответствует энергетическому уровню валентных электронов внешней оболочки. Ближайшая к ней, незаполненная, – зона проводимости. Взаимным расположением обеих зон определяются процессы, происходящие в твердом теле, и классифицируются материалы по группам: проводники, полупроводники, диэлектрики.

В проводниках зона проводимости и валентная зона совмещены. Образовавшаяся зона перекрытия позволяет электрону свободно перемещаться при получении даже небольшой энергии.

В полупроводниках зоны не перекрываются. Расстояние между ними, называемое запрещенной зоной, – менее 2.0 эВ. При нулевой температуре в зоне проводимости отсутствуют электроны, а валентная зона ими заполнена. При возрастании температуры часть электронов забрасывается в зону проводимости за счет теплового движения. Полупроводник становится электропроводящим.

В диэлектриках зоны так же, как и у полупроводников, не перекрываются. Величина запрещенной зоны здесь – более 2.0 эВ. Для того чтобы перевести электроны из зоны валентности в зону проводимости, необходимо значительно повысить температуру. При невысоких градусах электрический ток не проводится.

Сверхпроводимость

Свойство материала обладать нулевым электрическим сопротивлением при температуре ниже определенного значения получило название сверхпроводимости.

У некоторых проводящих веществ эта способность возникает при холодной температуре, близкой к химическому состоянию жидкого гелия.

В 1986 году произошло открытие веществ с высокотемпературной сверхпроводимостью. Например, керамика из кислорода, бария, меди, лантана не проводит ток в обычных условиях, а вследствие нагревания становится сверхпроводником.

На практике используют вещества, пропускающие электрический ток при 58 градусах Кельвина и более, то есть при температуре выше точки кипения азота.

Чаще всего находят применение твердые высокотемпературные сверхпроводники. Жидкие и газообразные используют реже. Все эти материалы необходимы для изготовления современных электротехнических устройств различной мощности.