Поверхностный эффект и эффект близости – 5.3. Частные приложения теории гармонического электромагнитного поля Понятие о поверхностном эффекте и эффекте близости

Эффект близости (электромагнетизм) • ru.knowledgr.com

В проводнике, несущем переменный ток, если ток течет через одного или более других соседних проводников, такой как в пределах близко катушка раны провода, распределение тока в пределах первого проводника будет ограничено в меньшие области. Получающуюся текущую давку называют как эффект близости. Эта давка дает увеличение эффективного сопротивления схемы, которая увеличивается с частотой.

Объяснение

Изменяющееся магнитное поле будет влиять на распределение электрического тока, текущего в пределах электрического проводника электромагнитной индукцией. Когда переменный ток (AC) течет через изолированного проводника, он создает связанное переменное магнитное поле вокруг этого. Переменное магнитное поле вызывает ток вихря в смежных проводниках, изменяя полное распределение тока, текущего через них. Результат состоит в том, что ток сконцентрирован в областях проводника дальше всего далеко от соседних проводников, несущих ток в том же самом направлении.

Эффект близости может значительно увеличить сопротивление AC смежных проводников когда по сравнению с его сопротивлением току DC. Эффект увеличивается с частотой. В более высоких частотах сопротивление AC проводника может легко превысить десять раз свое сопротивление DC.

Пример

Например, если два провода, несущие тот же самый переменный ток, лягут параллельные друг другу, как был бы найден в катушке, используемой в катушке индуктивности или трансформаторе, то магнитное поле одного провода вызовет продольный ток вихря в смежном проводе, тот поток в длинных петлях вдоль провода, в том же самом направлении как главный ток на стороне провода, отворачивающегося от другого провода, и назад в противоположном направлении на стороне провода, стоящего перед другим проводом. Таким образом ток вихря укрепит главный ток на стороне, отворачивающейся от первого провода, и выступит против главного тока на стороне, сталкивающейся с первым проводом. Результирующий эффект состоит в том, чтобы перераспределить ток в поперечном сечении провода в тонкую полосу на стороне, отворачивающейся от другого провода. Так как ток сконцентрирован в меньшую область провода, сопротивление увеличено.

Точно так же в двух смежных проводниках, несущих переменные токи, текущие в противоположных направлениях, тех, которые найдены в силовых кабелях и парах шин, ток в каждом проводнике сконцентрирован в полосу на стороне, сталкивающейся с другим проводником.

Эффекты

Дополнительное сопротивление увеличивает потери мощности, которые, в силовых цепях, могут произвести нежелательное нагревание. Близость и эффект кожи значительно усложняют дизайн эффективных трансформаторов и катушек индуктивности, работающих в высоких частотах, используемых, например, в электроснабжении переключенного способа.

В настроенных схемах радиочастоты, используемых в радиооборудовании, близость и потери эффекта кожи в катушке индуктивности уменьшают фактор Q, расширяя полосу пропускания. Чтобы минимизировать это, специальное строительство используется в катушках индуктивности радиочастоты. Проветривание обычно ограничивается единственным слоем, и часто повороты располагаются обособленно, чтобы отделить проводников. В многослойных катушках последовательные слои — рана в образце крестика, чтобы избежать иметь провода, лежащие параллельный друг другу; они иногда упоминаются, поскольку «корзина — переплетается» или «сотовидные» катушки. Начиная с электрических токов на поверхности проводника высокочастотные катушки иногда посеребрены, или сделанные из провода litz.

Метод Доуэлла для определения потерь

Этот одномерный метод для трансформаторов предполагает, что провода имеют прямоугольное поперечное сечение, но могут быть применены приблизительно к круглому проводу, рассматривая его как квадрат с той же самой площадью поперечного сечения.

windings разделены на ‘части’, каждая часть, являющаяся группой слоев, которая содержит одно положение нулевой MMF Для трансформатора с отдельным основным и вторичным проветриванием, каждое проветривание — часть. Для трансформатора с чередованным (или sectionalised) windings, самые внутренние и наиболее удаленные секции — каждая часть, в то время как другие секции каждый разделены на две части в пункте, где ноль m.m.f происходит.

Полное сопротивление части дано

:R — сопротивление DC части

:Re(.) — реальная часть выражения в скобках

Число:m слоев в части, это должно быть целым числом

:

:

:

: Угловая частота тока

: удельное сопротивление материала проводника

:

Число:N поворотов за слой

Ширина:a квадратного проводника

Ширина:b вьющегося окна

Высота:h квадратного проводника

Брусковый полевой производный метод

Это может использоваться для круглого провода или трансформаторов провода litz или катушек индуктивности с многократным windings произвольной геометрии с произвольными формами тока в каждом проветривании. Диаметр каждого берега должен быть меньше чем 2 δ. Это также предполагает, что магнитное поле перпендикулярно оси провода, который имеет место в большинстве проектов.

  • Найдите ценности области B из-за каждого проветривания индивидуально. Это может быть сделано, используя простую магнитостатическую модель FEA, где каждое проветривание представлено как область постоянной плотности тока, игнорируя отдельные повороты и берега litz.
  • Произведите матрицу, D, от этих областей. D — функция геометрии и независим от форм тока.

\begin {bmatrix }\

\left | \hat {\\vec B_1} \right | ^2 & \hat {\\vec B_1} \cdot \hat {\\vec B_2} \\

\hat {\\vec B_2} \cdot \hat {\\vec B_1} & \left | \hat {\\vec B_2} \right | ^2

\end {bmatrix }\

\right \rangle_1 + \gamma_2 \left \langle

\begin {bmatrix }\

\left | \hat {\\vec B_1} \right | ^2 & \hat {\\vec B_1} \cdot \hat {\\vec B_2} \\

\hat {\\vec B_2} \cdot \hat {\\vec B_1} & \left | \hat {\\vec B_2} \right | ^2

\end {bmatrix }\

: область из-за тока единицы в проветривании j

:

:

:: число поворотов в проветривании j, поскольку litz телеграфируют, это — продукт числа поворотов и берегов за поворот.

:: средняя длина поворота

:: провод или диаметр берега

:: удельное сопротивление провода

  • Потеря мощности переменного тока во всем windings может быть найдена, используя D, и выражения для мгновенного тока в каждом проветривании:

P = \overline {\\начинаются {bmatrix} \frac {di_1} {dt} \frac {di_2} {dt} \end {bmatrix }\

\mathbf {D }\

\begin {bmatrix} \frac {di_1} {dt} \\\frac {di_2} {dt} \end {bmatrix} }\

  • Полные вьющиеся потери мощности тогда найдены, расчесав эту стоимость с потерей DC,

Метод может быть обобщен к многократному windings.

Кабели

Эффект близости может также произойти в пределах электрических кабелей. Например, если проводники — пара аудио проводов спикера, у их тока есть противоположное направление, и ток будет предпочтительно течь вдоль сторон проводов, которые встречаются. Сопротивление AC проводов изменится (немного) наряду с частотой звукового сигнала, хотя для любой частоты, амплитуда тока все еще будет линейно пропорциональна напряжению. Некоторые полагают, что это потенциально введет искажение и ухудшит отображение стерео. Однако можно показать, что, для разумных размеров проводника, интервала и длины, этот эффект имеет маленькое влияние на качество звука.

См. также

Внешние ссылки

  • Кожа и эффекты близости и кабели HiFi
  • Термен, F.E. Руководство радио-Инженеров, McGraw-Hill 1943 — детализирует электромагнитную близость и эффекты кожи
  • .

5.5. Электрический поверхностный эффект в плоской шине. Эффект близости

Рассмотрим явление поверхностного эффекта при прохождении переменного синусоидального тока частотой w вдоль пластины (шины) (рис. 5.7). Предположим, что обратная шина (обратный проводник) находится настолько далеко, что влиянием магнитного потока, вызванного током в ней, на распределение тока в исследуемой шине можно пренебречь.

В этом случае поле внутри пластины определяется по формулам:

Сопротивление единицы длины шины

(5.8)

Здесь – комплексные амплитуды напряженности электрического и магнитного поля на поверхности шины (z = 0).

На рис. 5.8 приведены кривые Bm/Bme и Em/Eme в функции от z для следующих параметров: m = 1000m0; g = 107 См/м; f = 500 Гц; d = 2 мм. Эти зависимости определяются формулами:

Как видно из рисунка, неравномерность распределения напряженности электрического поля (а значит, и плотности тока) довольно значительная. Так, напряженность поля в середине шины почти в десять раз меньше, чем на поверхности. В этом и заключается электрический поверхностный эффект.

Если в непосредственной близости друг от друга расположено несколько проводников с переменными токами и каждый из них находится не только в собственном переменном магнитном поле, но и в магнитном поле других проводников, то распределение в каждом проводнике будет несколько отличаться от того, которое имело бы место, если бы этот проводник был уединен. Этот эффект носит наименование эффекта близости. Он приводит к дополнительному увеличению активного сопротивления проводников.

В случае двухпроводной линии передачи, в проводах которой токи протекают в противоположных направлениях, эффект близости приводит к тому, что плотность тока на сторонах проводников, обращенных друг к другу, оказывается большей, чем на противоположных сторонах.

В качестве иллюстрации рассмотрим двухпроводную линию в виде двух параллельных близко расположенных плоских шин (рис. 5.9), по которым протекает в противоположных направлениях синусоидальный ток.

Поместим начало декартовой системы координат в средней плоскости левой шины и примем размеры d << h и 2b << h. В этом случае, с учетом того, что слева от левой шины напряженность магнитного поля Н = 0, а в пространстве между шинами Н = I/h (согласно закону полного тока), получим следующие формулы для определения Н и Е в левой шине:

На рис. 5.10 приведены кривые Нmme и Em/Eme в функции от z для тех же параметров, что и в предыдущем примере. Здесь Нme и Eme – значение наряженности магнитного и электрического поля на правой поверхности левой шины (z = 0.5d).

Как видно из рис. 5.10, в данном случае распределение напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля (кривые практически совпадают) существенно отличаются от соответствующего распределения для одиночной шины (рис. 5.9).

Поверхностный эффект и эффект близости широко используют при поверхностной закалке стальных изделий индукционным методом.

Так, если поднести плоский контур, по которому протекает ток высокой частоты, к плоской поверхности стального тела, то в этом теле вблизи его поверхности возникнут индуктированные токи. Эти токи и нагревают поверхностный слой тела напротив контура.

Поверхностный эффект в проводниках

Дата публикации: .
Категория: Электротехника.

Сущность этого явления заключается в следующем. Как известно, магнитные линии поля прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей. Магнитное поле образуется как внутри проводника, так и в пространстве, окружающем проводник.

Прямолинейный проводник с током мы можем разбить на отдельные нити тока, параллельные друг другу. Чем ближе такая нить лежит к оси самого проводника, тем больший магнитный поток, замыкающийся внутри проводника, ее охватывает. Индуктивность нити тока и индуктивное сопротивление пропорциональны магнитному потоку, сцепленному с ней. Поэтому внутренние нити проводника, по которым проходит переменный ток, имеют большее индуктивное сопротивление, чем наружные периферийные нити. Последнее вызывает неравномерное распределение тока по сечению проводника, так что плотность тока будет возрастать от оси к поверхности проводника. Это явление называется

поверхностным эффектом.

Распределение переменного тока по сечению проводника

Рисунок 1. Распределение переменного тока по сечению проводника

Неравномерное распределение плотности тока приводит к увеличению сопротивления проводника. Сопротивление проводника переменному току с учетом поверхностного эффекта мы назвали активным сопротивлением в отличие от сопротивления (омического), которое оказал бы этот проводник постоянному току.

При стандартной частоте 50 Гц, небольшом сечении и медных проводах явление поверхностного эффекта сказывается слабо. При высокой частоте, большом сечении и железных проводах оно значительно.

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560 с.

Поверхностный (скин-эффект) в проводнике

Каждый опытный электротехник знает, что распределение плотности тока в проводнике нелинейно. Чем ближе к центральной оси, тем меньше амплитуда сигнала. При высокой частоте для корректного расчета вполне достаточно учитывать прохождение волн через определенный поверхностный слой. Это явление, скин эффект, способно выполнять полезные функции. Для успешного применения на практике, кроме общей теории, нужно изучить методику вычислений.

На основе скин эффекта создают экономичные системы обогрева трубопроводов

На основе скин эффекта создают экономичные системы обогрева трубопроводов

Объяснение поверхностного эффекта

Следует подчеркнуть одинаковую плотность тока при подключении проводника к источнику питания с постоянным напряжением. Однако ситуация изменяется при прохождении волнового сигнала.

Распределение плотности тока в проводнике

Распределение плотности тока в проводнике

Физическая картина возникновения

Для объяснения причин явления можно использовать вторую часть пояснительной картинки выше. В графической форме показаны силовые воздействия, которые образуются переменным полем. Электрическая составляющая (Е) направлена противоположно току (I), что объясняет возникающее сопротивление и соответствующее уменьшение амплитуды. По мере приближения к поверхности будет проявляться обратный эффект. Он вызван совпадением векторов напряженностей.

Уравнение, описывающее скин-эффект

Для выражения амплитуды через плотность тока берут определяющие соотношения из классических уравнений закона Ома и формул Максвелла.  Дифференциалом по заданному временному интервалу можно вычислить значения магнитной и электрической компонент поля. В упрощенном виде рассматривают бесконечный проводящий образец, созданный из однородного материала.

Формула определения частоты среза диаметра проводника

Для практических вычислений отдельными незначительными факторами пренебрегают. Например, чтобы определить частоту среза (Fср), цепь радиотехнического устройства рассчитывают по диаметру (D) соответствующего проводника. В формулу добавляют важнейшую характеристику определенного материала – удельное сопротивление (Rу) или проводимость (Sу).

Зависимость отмеченных параметров показывает следующее выражение:

Fср = 4/ (π*μ*Sу*D2),

где μ – постоянная величина (μ = 4* Sу*10-7 Генри на метр).

Глубина проникновения

Аналогичным образом, в упрощенном виде, можно рассчитать критичное расстояние от поверхности. Подразумевается, что в соответствующей области плотность тока уменьшается до минимальной значимой величины (-8,69 дБ, по сравнению с номиналом). Этот параметр (Dпр) называют глубиной проникновения. Для вычислений применяют формулу:

Dпр = √( Sу/( π*μ*f)), где f – частота сигнала.

Толщина скин-слоя

Из рассмотренного в предыдущем разделе определения понятна обратная зависимость плотности тока от частоты сигнала. Следующая таблица демонстрирует наглядно «активный» слой медного проводника. При многократном уменьшении энергетического потока в глубине на определенном уровне нецелесообразно применение толстых линий электропередач.

ПараметрЗначения
Частота сигнала, Гц506010 000100 0001 000 000
Толщина скин слоя, мм 9,348,530,660,210,067

В первых двух столбцах приведены значения для стандартных сетей переменного тока. Эти данные демонстрируют, что сравнительно незначительное изменение частоты (10 Гц) делает бесполезным 1,62 мм диаметра проводника (медь). Нетрудно вычислить значительную экономию при создании длинной линии после соответствующей оптимизации параметров сигнала. Следует не забывать, что каждый металл отличается глубиной эффективного слоя. Какой выбрать вариант, будет понятно после тщательного изучения целевого назначения конструкции.

Аномальный скин-эффект

Внимательное изучение явления позволяет сделать несколько важных выводов. Как показано на конкретных примерах, скин слой отличается небольшой глубиной. Однако соответствующее расстояние намного меньше средних значений свободного пробега заряженных частиц. Следует не забывать, что на соответствующее перемещение нужно затратить определенную энергию. Преодоление электрического сопротивления материала сопровождается нагревом.

Если снижать температуру, проводимость увеличится. Одновременно станет больше свободный пробег, и уменьшится толщина рассматриваемой части проводника. При определенном уровне стандартный механизм волновых взаимодействий станет ничтожным. Аномальный скин эффект – это изменение размеров слоя, в котором обеспечивается достаточно высокая для практического использования плотность тока.

Применение

Поверхностный эффект позволяет обеспечить локальный нагрев части проводника при пропускании переменного тока. Этот принцип используют, чтобы обогреть трубопровод в зимний период. Правильное применение технологии подразумевает следующие преимущества:

  • отсутствие сопроводительных контрольных и функциональных устройств;
  • практически неограниченная длина трассы;
  • возможность безопасного применения высоких температур.

Частотное распределение плотности токов используют для передачи информационных сигналов по силовым линиям электропередач. При достаточном уменьшении длины волны близость центральной части проводника не будет помехой. Модулированная СВЧ составляющая проходит в поверхностном слое. Для создания пакетов данных и расшифровки применяют специальные кодирующие (декодирующие) устройства.

К сведению. Подобные механизмы используют в нефтяной отрасли для оценки продуктивности скважины. Скин фактор определяет сопротивление перемещению жидкости в близкой технологическому отверстию области пласта. По этому параметру делают оценку реального объема добычи, по сравнению с идеальными условиями.

Учёт эффекта в технике и борьба с ним

Это явление оказывает заметное влияние по мере увеличения частоты сигнала. Следует учитывать скин эффект при проектировании схем с переменными (импульсными) токами. В частности, делают коррекцию расчета катушки фильтра, колебательного контура, трансформатора.

Типовые способы решения обозначенных проблем:

  • уменьшение толщины проводника;
  • создание полых конструкций;
  • образование поверхностного слоя из металла с лучшей проводимостью;
  • устранение неровностей;
  • плетение из нескольких изолированных жил.

К сведению. Радикальное устранение вредных явлений организуют с помощью передачи электроэнергии постоянным током.

Способы подавления скин эффекта

Перечисленные методики имеют особое значение при работе с высокочастотными радиосигналами. В частности, для улучшения проводимости поверхностный слой создают из серебра, платины, других благородных металлов. Следующие рекомендации применяют на практике при создании качественной аудио аппаратуры:

  • для пропускания сигналов используют тонкие (0,25-0,35 мм) жилы;
  • плетением кабеля устраняют значительные искажения силовых линий магнитного поля;
  • надежной изоляцией предотвращают окисление меди;
  • проверяют наличие поблизости других линий, способных оказывать вредное взаимное влияние.
Оптоволоконная линия связи

Оптоволоконная линия связи

При переходе в СВЧ диапазон сигналы передают по волноводам. Устраняют возможные негативные проявления с помощью передачи данных сигналами в оптическом диапазоне.

Видео

Поверхностный эффект и его влияние на нагрев

Поверхностный эффект – это эффект оттеснения переменного электрического тока, протекающего через проводник, к его периферии, вызванный переменным магнитным полем, создаваемым этим током.

Механизм возникновения поверхностного эффекта стоит рассмотреть на примере проводника круглого сечения, по которому протекает переменный электрический ток.

Протекание электрического тока вдоль проводника приводит к возникновению магнитного поля, силовые линии которого изображены на рисунке. Вектор индукции магнитного поля B при этом всегда направлен по касательной к силовой линии магнитного поля. Поскольку ток j, протекающий через проводник является переменным, вектор индукции магнитного поля также изменяет свой модуль и направление в каждой точке силовой линии в противоположные стороны, а вектор его производной по времени коллинеарен вектору индукции магнитного поля (т.е. векторы могут быть либо сонаправлены либо противонаправлены в каждый момент времени).

Наличие ненулевой первой производной по времени вектора магнитной индукции приводит, в соответствии с законом Фарадея, к возникновению вектора напряженности электрического поля E, ротор которого определяется согласно уравнению Максвелла.

Физически это можно представить как возникновение дополнительной электродвижущей силы, сонаправленной с направлением протекания тока вблизи периферии проводника и противонаправленной вблизи его оси.

Этот эффект приводит к неравномерному распределению протекающего электрического тока в проводнике, при котором большая часть тока протекает в его поверхностном слое.

График распределения тока представлен на рисунке. Распределение имеет экспоненциальный характер, поэтому для упрощения расчетов в первом приближении принято считать, что электрический ток протекает равномерно только в поверхностном слое толщиной Δ, называемым скин-слоем, а в остальном сечении проводника — отсутствует.  Действительная величина плотности тока на глубине скин-слоя в 2,7 раза меньше плотности тока на поверхности проводника, однако в связи с экспоненциальной характеристикой затухания, на глубине 2Δ плотность тока незначительна, а выделяемая мощность практически равна нулю.

Поверхностный 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 ростом удельного сопротивления согласно соотношению.

Ярко выраженное изменение толщины скин-слоя происходит при нагреве сплавов на основе железа при переходе температуры точки Кюри: толщина скин-слоя при этом увеличивается на порядок, при этом визуально наблюдается увеличение области нагрева.

Поверхностный эффект имеет огромное значение в индукционном нагреве, поскольку с его помощью можно концентрировать выделение тепловой энергии в определенной области заготовки. Это связано с тем, что нагрев производится вихревыми токами внутри детали в области их протекания, а эта область и, следовательно, область нагрева определяется поверхностным эффектом. Это широко используется, например, при поверхностной закалке, когда необходимо закалить только поверхность изделия, не изменяя структуры металла на большей глубине.

Использование частот, при которых толщина скин-слоя намного меньше нагреваемой области возможно, однако в этом случае за счет того, что энергия выделяется в тонком поверхностном слое, нагрев более глубоких зон будет производится слой за слоем за счет теплопроводности металла, что увеличивает длительность нагрева, снижает общий КПД системы, а также не обеспечивает равномерности нагрева.

Таким образом, для глубинного равномерного нагрева крупных стальных заготовок следует использовать более низкие частоты, в то время как для нагрева небольших деталей, для поверхностной закалки или для нагрева немагнитных металлов необходимы ТВЧ преобразователи с частотами на порядок выше.

Для ориентировочного расчета толщины скин-слоя нескольких основных материалов рекомендуется использовать следующие соотношения.

Исследование поверхностного эффекта и эффекта близости

8.1. Общие сведения

Переменный ток распределяется по сечению массивных проводников (шин) неравномерно вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости. Наибольшая плотность тока наблюдается на поверхности шины и уменьшается к центру поперечного сечения (рис.8.1.а). В двух близко расположенных шинах с противоположным направлением токов, кроме того, происходит вытеснение токов на поверхности шин обращённые друг к другу (рис.8.1б). При одинаковых направлениях токов в двух таких шинах вытеснение токов происходит на внешние поверхности.

 

 

Рис. 8.1

 

В проводнике, уложенном в ферромагнитный паз ротора или статора электрической машины происходит вытеснение тока на открытую поверхность проводника (рис. 8.1в).

Неравномерное распределение тока по сечению проводников приводит к увеличению их активных сопротивлений, что необходимо учитывать при проектировании электрических машин и токопроводов.

Наиболее простым для математического описания является проводник, уложенный в ферромагнитный паз. При достаточной высоте паза можно пренебречь отражённой электромагнитной волной от его дна. Тогда распределение действующего значения плотности тока по высоте паза (вдоль оси z ) может быть описано следующей формулой [1]:

 

,

где

— коэффициент затухания и коэффициент фазы;

– действующее значение плотности тока на открытой поверхности проводника;

В этих формулах:

I – действующее значение тока в проводнике;

w — круговая частота переменного тока;

m и g — магнитная проницаемость и проводимость проводника;

а = 2 мм — ширина паза;

b = 0,35 мм — толщина проводящей шины.

Согласно этим формулам, плотность тока уменьшается вдоль оси z по экспоненциальному закону (множитель ). Начальная фаза плотности тока на поверхности проводник равна 45О и с увеличением координаты z изменяется по фазе в сторону отставания (j = 45Оkz).

Глубина, на которой плотность тока в е = 2,718 раз меньше, чем на поверхности проводника, называется глубиной проникновения электромагнитной волны D = 1/k. Глубина проникновения уменьшается с увеличением частоты переменного тока, магнитной проницаемости и проводимости проводника.

В данной работе исследуется распределение тока в ленточных медных проводниках толщиной 0.35 мм и шириной 25 мм при их различном взаимном расположении (рис.8.2).

Рис. 8.2

 

Первый вариант расположения проводников (см. рис. 8.2а) позволяет экспериментально исследовать распределение тока вдоль ширины (ось y) двух близко расположенных прямоугольных шин, показанных на рис. 8.1б.

Во втором случае (рис. 8.2б) опыт может быть выполнен при двух значениях расстояния между шинами: d = 63 мм и d =3 мм.

При большом расстоянии между ленточными проводниками, распределение тока в них аналогично распределению тока в одном из горизонтальных слоёв прямоугольной шины, показанной на рис. 8.1а (вдоль оси х). Эффект близости сказывается здесь незначительно.

При малом расстоянии между ленточными проводниками их можно рассматривать как один из горизонтальных слоёв двух близко расположенных шин, показанных на рис. 8.1б. Вдоль горизонтальной оси (оси х) здесь сильно проявляется эффект близости.

В третьем случае (рис. 8.2в.) медная лента охвачена с трёх сторон ферромагнитным экраном и распределение тока в ней примерно такое же, как в проводнике, уложенном в паз электрической машины (рис.8.1.в).

Проводящие ленты для каждого из описанных четырёх вариантов смонтированы на стеклотекстолитовых платах и образуют замкнутые контуры. Электрический ток к ним подводится через понижающий трансформатор, вторичной обмоткой которого является сам контур из проводящих лент и соединительных шин (один виток).

Лабораторная установка с одним из вариантов проводящего контура схематично показана на рис. 8.3.

 
 

Для её сборки необходимо сначала установить в левой верхней части наборной панели катушку трансформатора 170 витков вместе с нижней U-образной частью разъёмного сердечника, затем надеть на катушку один из исследуемых проводящих контуров и закрепить его над наборной панелью, пользуясь соединительными вилками со средним выводом, как подставками. Подставки необходимы для увеличения расстояния между исследуемыми проводниками и металлической поверхностью наборной панели. Иначе наводимые в ней вихревые токи существенно изменят распределение тока в исследуемых проводниках.

После этого нужно вставить в катушку вторую половинку разъёмного сердечника и скрепить две половинки сердечника резиновым кольцом.

Для измерения падения напряжения вдоль нити тока в проводящей ленте служит датчик напряжения, также изображённый на рис. 8.3. Он представляет собой пластинку из стеклотекстолита, в которую вмонтированы два миниатюрных контакта. Провода от контактов проходят вдоль нити тока в исследуемом проводнике до середины пластинки, затем они поворачивают на 90о и проходят вместе сквозь ручку к усилителю напряжения. При прижатии контактов к исследуемой поверхности, соединительные провода датчика оказываются расположенными почти вплотную к этой поверхности. В результате, магнитный поток, сцеплённый с контуром измерительной цепи, оказывается близким к нулю и на вход усилителя подводится активная составляющая напряжения, пропорциональная плотности тока:

,

где

U – напряжение между контактами датчика,

Е – тангенсиальная составляющая напряжённости электрического поля,

l – расстояние между контактами датчика, равное 0,1 м.

— удельная проводимость медного проводника.

Для измерения тока в исследуемых проводниках используется трансформатор тока с коэффициентом трансформации 100. Он имеет один первичный виток и расположен непосредственно на соединительной шине (рис. 8.3).

8.2. Экспериментальная часть

· 8.2.1. Исследование распределения тока в массивных проводниках

Задание

Исследовать экспериментально изменение действующего значения и начальной фазы плотности тока по ширине медного ленточного проводника в следующих случаях:

  1. Две ленты с противоположно направленным током расположены параллельно в двух плоскостях одна над другой.
  2. Две ленты с противоположно направленным током расположены параллельно в одной плоскости при расстоянии между лентами 63 мм.
  3. То же при расстоянии между лентами 3 мм.

 


Читайте также:


Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о