Когда мы имеем дело с переменным током, то нам нужно учитывать очень важное явление, которое возникает в проводах при его прохождении. Носители заряда – электроны, которые формируют электрический ток, при изменении направления тока и его величины (болтанка туда-сюда), начинают тяготеть к поверхности провода.
Чем больше частота переменного тока, тем больше электронов покидают сердцевину провода и прижимаются к его поверхности. Это и есть поверхностный эффект (скин-эффект).
При постоянном токе его плотность равномерна по всему сечению провода. Электроны постоянного тока – молодцы, они используют эффективно все сечение проволоки.
А вот переменный, имеет более плотный ток у поверхности, а в сердцевине провода, его и вовсе может не быть (зависит от частоты тока и диаметра провода). Следовательно, имеет место неэффективное расходование медного материала.
На рисунке вверху рисуем сечение медной проволоки диаметром 0,51мм и эффективную площадь меди, которую занимают электроны. При частоте тока в 50 Герц вроде все нормально, занято 100% сечения проволоки.
При увеличении частоты, мы видим, что эффективная площадь поперечного сечения проводника уменьшается, приобретая форму бублика, а он становится все тоньше и тоньше при увеличении частоты.
Особенности конструкции бублика известны всем: дырка абсолютно непригодная (и невкусная) часть его формы. Когда бублик становится тоньше, а дырка больше, то это реально начинает раздражать. И с этим надо как-то бороться!
Физики поняли, что успех борьбы зависит от формы проводника, а точнее от длины его окружности и, соответственно, от площади его поверхности, к которой стремятся электроны.
Если вместо одной проволоки взять две или три меньшего сечения, но в сумме дающие большую длину окружности, то заполнение током этих тонких проводов, изолированных друг от друга, будет более эффективным (бублики будут меньше в диаметре, но толще).
Если проводник сделать плоским в виде ленты, то это спасает нас от скин-эффекта (бублик исчезает), но стоимость ленты выше.
Можно, просто увеличить диаметр кабеля, и эффективная площадь тоже увеличится, но и ненужная сердцевина увеличится.
Тут надо делать технико- экономический расчёт, что выгоднее: менять геометрию провода, добавлять более мелкие кабели, изолированные друг от друга (изоляция денег стоит) или просто увеличивать d проводника.
Все зависит от области применения кабеля и затрат на его изготовление.
В доме, при частоте тока в 50Герц толщина скин-слоя (бублика) равна 1см. Абсолютно достаточно для обычных бытовых электро кабелей. Но если нам надо передать сотни киловольт на большие расстояния, то диаметр медного кабеля будем размером с руку. Тут надо посчитать!
Задача. Энергетикам надо рассчитать эффективный диаметр электрического кабеля длиной в несколько десятков километров для передачи высоковольтного напряжения между двумя пунктами.
Согласно расчетам, на линии должен монтироваться провод сечением 120 мм2 ⭕️
Но вместо него можно использовать два провода сечением по 50 мм2 каждый! 🔴 🔴
В результате замены получаем 20% экономии проводникового материала (по весу), а проводящие свойства линии даже становятся лучше.
В самом деле, нетрудно подсчитать, что провод сечением 120 мм2 имеет длину окружности 39,2 мм. У провода же сечением 50 мм2 длина окружности составит 25,1 мм. Для двух таких проводов общая длина окружности составит 25,1 х 2 = 50,2 мм. А так как ток течет по поверхности, то ясно, что активное сопротивление двух параллельных (изолированных) проводов сечением 50 мм2 каждый будет меньше, чем активное сопротивление одного провода сечением 120 мм2. Вот вам реальная борьба со скин-эффектом!
В аудио кабелях течёт переменный ток, который, как известно, периодически меняет свое направление и величину с определенной частотой. Так вот, аудио или звуковой сигнал, это есть электрическое представление или аналогия звука (вот вам и расшифровка термина «аналоговый сигнал») при помощи изменяющегося электрического напряжения, который можно передавать по проводам и превращать обратно в звуковые волны акустическими системами.
Звуковая среда, в которую мы погружены, колеблется от 20 раз в секунду до 20 тысяч раз в секунду. Это частотный диапазон восприятия человеческого уха. Частоты, выходящие за предел 20Гц - 20кГц, воспринимаются нами хуже или вообще не воспринимаются.
Скин-эффект, это явление, которое впервые было описано английским физиком О.Хевисайдом в 1886 году. Чем выше частота электротока, тем больше его плотность у поверхности проводника и меньше у его центральной оси. В результате этого эффекта переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется неравномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое (слизал из Википедии). Мы с вами аудиофилы, то есть те, кто любит слушать музыку и живут в частотном диапазоне от 20 до 20 тыщ герц.
Вопрос: как скин-эффект в аудио кабелях влияет на качество воспроизводимого звука и надо ли с ним бороться?
Ответ: Скин-эффект влияет на качество аудио сигнала очень незначительно (чисто теоретически), а бороться с ним можно, если есть желание и лишние деньги. Только нужно помнить, что эта борьба должна быть экономически обусловлена, и, не должна приводить к неимоверному росту цены на кабель.
Целеполагание этой борьбы - снижение издержек, а не наращивание цены!
А может просто увеличить сечение аудио кабеля и забыть про этот эффект? Давайте все по порядку…
Глубина скин-слоя вычисляется по формуле, в знаменателе которой стоит частота. Следовательно, чем выше частота, тем тоньше эффективный слой проводника, готовый пропустить сигнал. На фото вверху привожу таблицу, в которой указана толщина скин-слоя в процентах от площади сечения, зависящая от частоты и площади сечения медного провода. Площадь сечения указана в AWG (калибрах). Что такое американский проволочный калибр расскажу вам в этой статье.
Из таблицы видно, что при частоте 20 тысяч герц (верх аудио диапазона) задействуется 96% площади поперечного сечения провода 18AWG (0.81мм.кв.) и 46% у 12 калибра (3,31мм.кв.). А проводник сечением 10AWG (5.3мм.кв.) даст сигналу 20кГц 36% от своей площади.
Ясно, что тут, в аудио секторе, бороться со скин-эффектом хитрыми способами нет смысла.
Просто увеличьте калибр кабеля, увеличьте площадь "бублика", - это наименее затратный способ борьбы!
Как говорится, Size Does Matter!
Или, на крайний случай, покройте медную жилу серебром, что даст высоким частотам более скоростную трассу. Однако, это уже денег стоит и надо сравнивать цену кабеля с тем удовольствием, которое вы получите. Тестируйте кабели перед покупкой!
А вот для других кабелей и устройств, работающих в более высоких частотах (начиная с миллионов Герц), надо думать о полых проводниках, покрытии их лаком, ленточном напылении золота на монтажные платы и прочее. Но это уже не наше дело!
Приносить в наш низкочастотный сегмент рынка высокочастотные проблемы и начинать их тут решать, увеличивая цену кабеля и рассказывать страшные байки про скин-эффект - обычный маркетинг!
Хотя, абсолютно допустимый в рамках данной индустрии.
