Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 4. Лінії зв’язку   /  Тема 4.4. Металеві лінії зв’язку

Зміст:

4.4.1. Процеси у провідниках

Для спрощення аналізу процесів у проводових лініях зв’язку використовується поняття ідеального провідника. В ідеальному провіднику існує тільки струм провідності, а в ідеальному діелектрику — тільки струм зсуву. В реальних середовищах існує як струм провідності Іпр, так і струм зсуву Ізс. Під час протікання змінного струму провідником у ньому виникає поверхневий (скін) ефект. Сутність скін-ефекту пояснюється на рис. 4.4.1.

Рис. 4.4.1. Явище поверхневого ефекту: а — лінії змінного струму, магнітного поля та вихрових струмів; б — розподіл щільності струмів; в — витіснення струму на край провідника

Якщо вздовж провідника протікає змінний струм І~, навколо нього в товщі металу утворюються кільцеві силові лінії магнітного поля Н. Навколо кожної такої лінії виникає вихровий кільцевий струм Ів, на краях провідника напрямок цього струму збігається з напрямком протікаючого струму, а в центрі ці струми спрямовані протилежно (рис. 4.4.1, а). На рис. 4.4.1, б наведено розподіл щільності цих струмів. Отже, змінний струм витісняється до країв провідника, він протікає не всім перерізом провідника, а лише його частиною, що призводить до зростання електричного опору провідника. Поверхневий ефект характеризується еквівалентною глибиною проникнення — це та глибина проникнення поля в метал, на якій напруженість поля та щільність струму зменшуються в e разів (е ≈ 2,78), її ще називають товщиною скін-шару Θ. При зростанні частоти товщина скін-шару зменшується, тобто поверхневий ефект зі зростанням частоти зростає. Товщина скін-шару визначається умовою:

(4.4.1)

де — коефіцієнт вихрових струмів; α — коефіцієнт загасання поля в провіднику.

Поверхневий ефект більшою мірою проявляється в провідниках з більшим питомим опором.

З поверхневим ефектом пов’язані ефект близькості й ефект дії оточуючих мас. Ефект близькості виявляється в симетричній парі (рис. 4.4.2). У цьому разі відбувається перерозподіл щільності струмів у провідниках.

Рис. 4.4.2. Ефект близькості в симетричній парі

Ці ефекти підвищуються із зростанням частоти, при зменшенні відстані між провідниками та збільшенні опору провідників, за наявності в кабелі багатьох пар і металевих оболонок. Отже, опір провідника змінному електричному струму в симетричному кабелі можна обчислити за формулою:

R = R0 + Rпе + Rеб + R,(4.4.2)

де R0 — опір постійному струму, Rпе — опір внаслідок поверхневого ефекту; Rеб — опір внаслідок ефекту близькості; R — опір, пов’язаний з ефектом оточуючих мас (сусідніх пар і металевих оболонок).