Когда-то, давно-давно, Бенджамин Франклин провёл интересный физический эксперимент. Он взял металлический шарик, который не имел никакого электрического заряда, подвесил его на ниточку и опустил в металлическую кружку, которая была наэлектризована. Он обнаружил, что внутри кружки шарик никуда не притягивается и остаётся в равновесном положении, несмотря на то, что кружка наэлектризована. После этого он достал шарик из кружки, поднёс к наружным стенкам и заметил, что шарик начал притягиваться к этим стенкам.
Это говорило только об одном. Внутри кружки, нет никакого электрического поля и шарик поэтому никуда не перемещается. Этот интересный эксперимент был предвестником того эффекта, о котором мы знаем сегодня. Наверное, вы уже слышали, что электрический ток отсутствует внутри проводника. Наверное, вы уже слышали, что электрический ток распространён только по поверхности проводника. Это так называемый скин-эффект в случае переменного тока.
Этот опыт в дальнейшем повторил Фарадей, а после этого на базе экспериментов появилась и знаменитая клерка Фарадея. В дальнейшем было обнаружено интересное явление уже для переменного электрического тока. Для переменного электрического тока известно, что у него основная, скажем так, активность сосредоточена на поверхности проводника. Это так называемый скин-эффект.
Скин-эффект заключается в том, что происходит уменьшение амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения к центру проводника.
Можно подумать, что эта закономерность работает только для переменного тока, и, в общем-то, как таковой, скин-эффекты, правда, используются применительно к переменному электрическому току. Однако для постоянного электрического тока тоже есть интересное явление, которое наблюдается и которое характеризует неравномерное распределение электрического тока по сечению проводника. Наверное, самый главный вопрос, который у вас появляется, это как в эксперименте оказалось, что заряд концентрируется именно на поверхности.
Представьте что у нас есть проводник в котором есть электронный газ. Электронный газ это некоторая такая материя, некоторая абстрактная материя которая существует в металлах, существует в проводниках и в общем-то является способом передачи электрического тока внутри проводника.
Пока у нас есть такое тело и пока оно находится в свободном состоянии, электрические заряды по нему распределены неравномерно. Они разбросаны по всей, скажем так, поверхности, по внутренней части и так далее. И теперь представьте, что тело, обладающее электронным газом, попадает в электрическое поле. Процесс может было бы описать методом Гаусса, решением этого всего описать, но не объяснить физически.
Что здесь происходит? Да, в общем-то, мы помним закон Кулона, по которому у нас одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются. И, в общем-то, когда у нас тело оказывается в электрическом поле, так получается, что электронный газ пытается и перераспределиться таким образом, чтобы упорядочиться, согласно тому принципу, который мы обозначили. Этот процесс приводит к тому, что у нас на поверхности тела происходит концентрация заряда того или иного, с одной стороны положительного, с другой отрицательного.
Дальше эксперимент Франклина, когда снаружи шарик притягивался вполне объясним.
Сделайте чашку цельной, без пустоты внутри, и сделайте обычную металлическую чашку с пустотой. Физически это будет одно и то же. Заряд у нас распространится равномерно по поверхности, что в том случае, что в этом случае. И весь заряд у нас будет стремиться сконцентрироваться на поверхности этой чашки. Вот мы и получили тот самый эффект, который наблюдает Бенжамин Франклин в своём эксперименте.
Следующий момент. Мы опускаем шарик внутрь кружки. Что получается? Шарик никакого заряда не имеет, поэтому тот электронный газ, который у нас есть в этом шарике, пытается упорядочиться внутри этого объекта. Пытается распределиться внутри шарика таким образом, чтобы получилось равновесие. И в общем-то то электрическое поле, которое сначала сформировало заряд на самой кружке, пытается еще и уравновесить этот заряд на шарике, который там есть.
Теперь перейдем непосредственно к скин-эффекту. Этот термин применяется относительно тех проводников, где есть переменный электрический ток. И в общем-то весь электрический ток, скажем так, сконцентрируется на поверхности проводника. Внутри проводника у нас электрический ток, скажем так, отсутствует.
Почему так происходит? Давайте вспомним определение электрического тока. Довольно наивное, но понятное.
Электрический ток — это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Заряженные частицы движутся под действием электрического поля. Где проще электрическому полю толкать вот этот электронный газ, который у нас присутствует в проводнике?
Конечно же, проще это делать на поверхности проводника. Энергетически выгоднее толкать те частицы, которые находятся ближе к поверхности. Но помимо этого есть еще один интересный эффект еще одно интересное явление о котором следует помнить когда мы говорим про скин эффект.
Мы помним что где есть электрическое поле там есть и магнитное поле и мы помним, что переменный ток порождает магнитное поле. Внутри проводника образуются вихревые токи, которые на поверхности будут ускорять тот, который проходит через проводник, а внутри проводника препятствовать этому току, который проходит внутри проводника.
Получается, что у нас на поверхности вот это вот паразитное, можно сказать, явление ускоряет электрический ток, который в проводнике есть и без того, а в центре проводника это же явление препятствует прохождению электронного газа, и поэтому, конечно же, частицы стараются проходить по поверхности проводника. В итоге получается, что у нас скин-эффект обусловлен двумя моментами.
Первый момент это электрическому полю банально проще толкать электроны, толкать электронный газ. Кстати, все это, конечно, абстракция, но не будем сейчас об этом. Очень большая длинная история. Давайте пользоваться классическими представлениями о классической физике. И вот электронному газу проще передвигаться там, где электрическому полю проще толкать. Существует препятствующая силы, которая не выдает и электрическому току нормально там проходить.
Но в нашем случае есть другой интересный эффект. Если вы вспомните, как работает закон Джоуэля-Ленца, то поймете, что любой проводник при прохождении через него электрического тока нагревается. В случае прохождения постоянного электрического тока проводник, конечно же, тоже нагревается. И вот если мы рассмотрим сечение проводника, через который идет электрический ток, мы можем обнаружить, что проводник в центре будет горячее, чем проводник на поверхности.
Это неизбежно, потому что у нас отвод тепла происходит с поверхности этого проводника. Когда с поверхности происходит отвод тепла, логично предположить, что поверхность холоднее. А дальше есть интересный эффект. Мы помним, что сопротивление обусловлено, ну назовем так, внутренним трением электронного газа по структурные элементы нашего с вами металлического провода. И поэтому, если проводник сильно нагревается, у него повышается сопротивление. Это такой эффект известный и довольно часто встречающийся описываемый.
Так вот, если проводник охлаждать, то эффект проводимости будет гораздо более интенсивным. Кроме того, те, кто интересуется физикой, наверняка и без этого знают, что есть такая штука как сверхпроводимость, а сверхпроводимость работает при сильно отрезательных температурах. И сейчас многие ученые бьются над тем, чтобы добиться эффекта сверхпроводимости при комнатных температурах.
Даже, насколько мне известно, есть некоторые результаты, но это сейчас не об этом разговор. И вот получается, что у нас проводимость поверхности проводника при прохождении через него постоянного тока выше, чем проводимость в центре проводника. Ну, а там, где проводимость выше проводнику, проще и пропускать электрический ток. Поэтому в случае постоянного тока, как таковой, скин-эффект отсутствует, он действительно не работает, но работает это вот интересное наблюдение, о котором мы сейчас с вами сказали.
Поэтому косвенно можно тоже сказать, что электрического тока в центре проводника как минимум меньше. И вот мы постоянно используем эту формулировку, есть электрический ток, нет электрического тока. С одной стороны это безграмотно и физически неправильно так говорить, а с другой стороны это самая простая и понятная характеристика. Мы помним, что электрический ток это упорядоченное движение частиц, и если движение частиц есть, то электрический ток есть. А если такого движения нет, то электрического тока нет.
Ролик по теме на моём канале: https://youtu.be/167EhAZpsLU
Поделиться: