Электричество работает - Волны в проводниках

2-14. Волны в проводниках и вдоль проводников
Когда на проводник действует переменное напряжение, ток проходит лишь в поверхностном слое проводника. Толщина этого «поверхностного» слоя зависит от частоты тока. Она падает обратно пропорционально корню квадратному из частоты тока. Для тока с частотой 50 Гц поверхностный слой, в котором сосредоточивается большая часть тока, имеет толщину около 10 мм. А при частоте 50 тыс. Гц ток идет в слое толщиной только 0,3 мм; внутренняя часть проводника током не нагружена.
Электрики-низкочастотники обычно говорят: «С повышением частоты ток вытесняется к поверхности проводника». Высокочастотник выразится иначе: «С повышением частоты глубина проникновения электромагнитной волны в металл уменьшается». Не стоит спорить, как правильнее рассматривать процесс — идя от центра проводника к его поверхности или, наоборот, проникая из диэлектрика в прилежащую к нему поверхность проводника. Это все равно, что спрашивать: что больше — полупустая или полуполная бочка?
Конечный числовой результат получается один и тот же независимо от того, каким бы приемом ни выводилась формула. В меди ток сосредоточивается в слое толщиной 67/√f мм. Для других металлов числитель формулы имеет другое значение (для холодной магнитной стали, например, 20, а для расплавленной стали около 1 000), но в знаменателе этой формулы всегда стоит корень из частоты.
Когда необходимо применить медный проводник большого сечения и желательно для уменьшения потерь все это сечение равномерно нагрузить током, то применяются транспонированные проводники.
Они сплетаются из отдельных тонких изолированных проволочек. Каждая из проволочек то идет по поверхности, то ныряет в середину проводника. Так как проволочка изолирована, ток вынужден идти по ней, следуя всем ее изгибам. Из таких транспонированных проводников изготовляются обмотки всех мощных турбогенераторов. При частоте тока 50 Гц применяются транспонированные проводники и в электродвигателях, и в трансформаторах, во всех случаях, когда необходимо иметь большое сечение меди — больше, чем несколько десятков квадратных миллиметров, — и когда желательно равномерно распределить токи по всему этому сечению (рис. 2-5а).
Чем выше частота тока, тем тоньше должны быть отдельные жилки в транспонированном проводнике. Для тока с частотой 100 кГц надо сплетать проводник из жилок не толще 1/10 каждая. А для более высоких частот такой проводник уже непригоден. Вместо многожильных транспонированных проводников для токов высоких частот часто применяют трубчатые проводники —  попросту медные трубки. Они хороши еще тем, что по ним можно пропускать охлаждающую воду и избегать перегрева даже при очень больших плотностях тока. Для индукционных печей всегда применяются трубчатые проводники.
Применяются трубчатые полые проводники и в других случаях — для высоковольтных линий передач. В этом случае провода должны иметь достаточно большой диаметр, чтобы с них не возникал самопроизвольный электрический разряд — корона. А сечение в этих проводниках особенно большое не требуется. Вот и делают их полыми. Но провода эти должны быть гибкими, и их выполняют из отдельных медных фасонных проводников, которые сцепляются между собой, как клепки в бочке.
Чтобы повысить прочность линий передач, применяют сталеалюминиевый провод. На стальной трос накладываются сверху алюминиевые проводники. По ним идет ток, а сталь служит для поддержки, но ни в коем случае не годится выполнять этот провод, обматывая алюминиевую жилу сталью.
На первый взгляд, казалось бы, разница невелика. В обоих случаях провод состоит из комбинации стали и алюминия. Алюминий, казалось бы, обеспечивает электропроводность, а сталь придает прочность. И если сталь поместить снаружи, то провод будет еще прочнее. Провод, у которого снаружи сталь вместо алюминия, меньше повреждается при раскатке, надежнее держится в зажимах.
Но в толстом проводнике переменный ток течет только в поверхностном слое. При частоте 50 Гц ток проникает в сталь не больше чем на 3 мм. Если поверхностный слой больше чем на 3 мм состоит из стали, то сопротивление всего провода будет велико. Алюминий в центральной части провода не будет нагружен током. Чтобы использовать алюминий, надо обязательно уложить его по поверхности проводника.
При очень высоких частотах — несколько десятков миллионов герц (такие частоты применяются, например, для передачи телевидения) — глубина проникновения тока в металл составляет всего лишь сотые доли миллиметра. В таких высокочастотных устройствах токонесущие детали часто делаются стальными и покрываются тонким слоем серебра. Внутренность проводника совершенно не влияет на его сопротивление. При этих высоких частотах сопротивление очень сильно зависит от состояния поверхности. Слой окислов может увеличить сопротивление в несколько раз. Слой краски или лака также может значительно увеличить сопротивление и потери. В высокочастотных устройствах все это надо иметь в виду. При низких же частотах состояние поверхности не влияет на сопротивление.