Pinnaefekt

Vahelduvvooluga I kaasnevad magnetväli H ja pöörisvoolud I_w

Pinnaefekt ehk skinnefekt (inglise sõnast skin 'kest, pind') on füüsikaline nähtus, mis seisneb elektrijuhti läbiva elektrivoolu koondumises juhi pindmisse kihti. Seetõttu on juhtide takistus vahelduvvoolu korral suurem kui alalisvoolu korral.

Teatmeteostes kasutatakse pinnaefekt sünonüümina ka terminit "pinnanähtus", kuid tuleb arvestada, et füüsikalisi pinnanähtusi on mitmesuguseid.

Füüsikaline seletus

Alalisvool tekitab juhi ristlõikes ühtlase magnetvälja ja vastavalt on ühesugune ka voolutihedus kogu ristlõike ulatuses. Seevastu vahelduvasuunalise voolu korral kutsub muutuv magnetväli juhi materjalis esile pöörisvoolud. Need on suunatud põhivoolule vastu, vähendades voolutihedust juhi kesktelje ümbruses. Teiste sõnadega indutseerib vahelduv magnetväli juhis vastuvoolu, mis tugevneb juhi kesktelje poole ja surub põhivoolu juhi ristlõike serva poole. Seega juhi efektiivne ristlõige ehk tegevristlõige väheneb, mis on toimelt samaväärne juhi näivtakistuse suurenemisega. Väga kõrgetel sagedustel juhib voolu üksnes juhi õhuke pindkiht.

Ekvivalentse voolujuhtiva kihi paksus δ ja tegelik voolutiheduse vähenemine

Arvutus

Voolutihedus väheneb juhi ristlõikes välisservast keskkoha poole eksponentsiaalselt (1/e). Ümarjuhtme puhul saab arvutada ekvivalentse väliskihi paksuse δ, s.o juhtme ristlõike välisrõnga paksuse:

$\delta \approx {\sqrt {\frac {2\rho }{\omega \mu }}},$

kus

$\rho$ on juhtmematerjali eritakistus;

$\omega =2{\pi }f$ – nurksagedus;

$\mu =\mu _{0}\mu _{r}$ – juhi absoluutne magnetiline läbitavus (magnetilise konstandi $\mu _{0}$ ja suhtelise magnetilise läbitavuse $\mu _{r}$ korrutis).

See valem annab seinapaksuse δ sellise ekvivalentse silindrilise (torukujulise) juhtme jaoks, millel on sama välisläbimõõdu juures niisama suur takistus alalisvoolu korral, kui vaadeldaval täisjuhtmel antud sagedusega vahelduvvoolu korral.

Vaskjuhtme puhul sõltub ekvivalentse juhtiva kihi paksus δ sagedusest järgmiselt:

Sagedus f	50 Hz	1 kHz	10 kHz	100 kHz	1 MHz	10 MHz	100 MHz	1 GHz	10 GHz	100 GHz
Juhtiv kiht δ	9,38 mm	2,10 mm	0,66 mm	0,21 mm	0,066 mm = 66 µm	21 µm	6,6 µm	2,1 µm	0,7 µm	0,2 µm

Ekvivalentse juhtiva kihi paksus δ eri materjalidel sõltuvalt sagedusest

Pinnaefekti mõju vähendamine

Pinnaefekti mõju ja seega takistust kõrgsagedusvoolule saab vähendada, kui suurendada sama ristlõikepinna juures juhi välispinda. Selleks valmistatakse ülikõrgsagedustel kasutatavad juhid toru- või ribakujulisena, või siis koostatakse juhe peenikestest isoleeritud traatidest. Rakendatakse ka vaskjuhi pinna hõbetamist ja kuldamist, et ära hoida vase oksüdeerumist. Pinnaefekti seisukohast on oluline ka juhi pinna siledus, sest sellest oleneb voolu teekonna pikkus juhi välispinnal.

Ülaltoodud valemi kohaselt on juhi ekvivalentne väliskiht seda õhem, mida suurem on materjali magnetiline läbitavus. Seepärast ilmneb pinnanähtus tugevalt terasjuhtides ja seda ka juba võrgusagedusel (50 Hz). Siiski kasutatakse terast elektriliini juhtmetes tema mehaanilise tugevuse pärast. Pinnaefekti mõju vähendamiseks kaetakse terasjuhe näiteks vasekihiga.

Välislingid

• Stromverdrängung in elektrischen Leitern