"CQ-SKW", №10, май, 1930 год, стр. 80-81

Г. Остроумов

Скин-эффект при ультра-коротких волнах

Явление скин-эффекта, при высоких частотах общеизвестно. Оно заключается в том, что в толстых проводниках объемная плотность тока по всему сечению проводника не одинакова, а увеличена на поверхности и уменьшена у оси проводника. При длинных и средних волнах это обстоятельство приводит лишь к некоторой неравномерности плотности тока по сечению и соответственно к некоторому увеличению сопротивления проводников, при коротких же и ультра-коротких волнах явление настолько резко выражено, что практически весь ток протекает лишь по поверхностному очень тонкому слою проводника, центральная же часть совершенно не участвует в процессе. На рис. 1 показан закон убывания объемной плотности тока вблизи поверхности медного проводника по мере погружения в проводник для разных частот тока.

Рис. 1.

Из чертежа видно, что при ультра-коротких волнах почти весь ток протекает в слое толщиной порядка сотой доли миллиметра. Это обстоятельство вызывает огромное увеличение сопротивления, если сравнивать сопротивление высокочастотному току с сопротивлением постоянному току, так как постоянный ток проходит по всей толще. Поэтому имеет смысл оценивать это сопротивление не сравнительно, а самостоятельно, пользуясь измерениями поверхности данного проводника. Таким образом для медных проводов составляется следующая табличка (таблица I), показывающая сопротивление части поверхности провода, длиной 1 см и шириной 1 см при разных волнах. Она справедлива лишь для толстых проводов, причем та предельная толщина провода, при которой применимость такого расчета сохраняется, также приведена в таблице I.

Ввиду той важности, которую приобретает поверхность проводника сравнительно с его внутренними частями, в практике коротких и ультра-коротких волн часто возникает соблазн заменить проволочные или трубчатые провода пластинками или шинами. Однако этим способом увлекаться не следует, так как, хотя высокочастотные токи и располагаются вообще по поверхности, но по плоским участкам этой поверхности все-таки распределяются меньшие плотности тока, чем по сильно кривым участкам. На рис. 2 показана в разрезе такая шина и схематически стрелками показано распределение тока (текущего сквозь сечение от читателя к чертежу) в различных участках периметра сечения, причем чем больше плотность тока в данной точке, тем длиннее соответствующая стрелка (чертеж вычерчен точно и в масштабе).

Рис. 2.

Поэтому сопротивление такой шины будет больше, чем сопротивление круглого стержня или трубки той же длины и поверхности, где поверхностная плотность тока везде одинакова.

В помещаемой ниже таблице II приведено то увеличение сопротивления, которое получается, если трубку круглого сечения (удаленную от остальных проводников) постепенно сминать так, чтобы в сечении получался эллипс, а поверхность оставалась постоянной (рис. 3, табл. II).

Из этих же соображений нужно избегать острых краев на всех проводах, несущих токи ультра-высотой частоты, в частности на проводах лехеровых систем и желательно сделать их совершенно гладкими.

Рис. 3.

Строго говоря и при круглых проводах лехеровых систем, столь часто применяемых при коротких и ультра-коротких волнах, имеется некоторая неравномерность поверхностной плотности тока, которая сводится к тому, что на внутренних частях проводов текут более сильные токи, чем на внешних. Однако в случае круглых проводов эта неравномерность, обусловленная, кстати, наличием именно двух соседних проводов, невелика. Она особенно невелика при относительно больших расстояниях между проводами и увеличивается по мере сближения или утолщения проводов. На рис. 4 показан точно в масштабе один случай, причем снова, подобно рис. 2, стрелки, приведенные в разных точках поверхности проводов, соответствуют силе тока, проходящего в этих точках. Вызываемое этой неравномерностью увеличение действующего сопротивления не превосходит для данного случая 3%.

Рис. 4.

Что касается специальных мер по повышению электропроводности поверхностного слоя для уменьшения его сопротивления, то оно сложно и не окупит себя в индивидуальном изготовлении. Дело в том, что казалось бы наиболее рационально провода покрывать серебром; однако серебро очень склонно покрываться тончайшим слоем черной непроводящей окиси, что приводит к бесполезности замены медного поверхностного слоя серебряным при ультра-высоких частотах. Правильно поэтому не увеличивать проводимость поверхностного слоя, а предохранять его от окисления, не нарушая металлической поверхности. Этому требованию удовлетворяет только золочение — операция сложная и не дешевая. Поэтому все-таки, пожалуй, правильнее всего оставлять в любительской обстановке провода голыми медными.