Процеси, що мають місце у лініях передачі

При розповсюдженні постійного струму по лінії передачі густина струму постійна по поперечному перетину провода. Якщо протікає змінний струм, то відбувається перерозподіл густини струму по перерізу провідника. При цьому спостерігаються такі явища: поверхневий ефект, ефект близькості, вплив на параметри кабельного кола навколишніх металевих мас. Перерозподіл густини струму веде до зміни значення параметрів кола: опір та проводимість ізоляції зростають, індуктивність дещо зменшується, а ємність практично залишається незмінною.

Поверхневий ефект обумовлений дією магнітного поля, що знаходиться усередині провідника. Силові лінії внутрішнього магнітного поля, перетинаючи товщу провідника, збуджують у ньому вихрові струми. Ці струми спрямовані так, що їхні магнітні поля спрямовані протилежно магнітному полю основного струму (рис. 25). Таким чином, вихрові струми спрямовані так, що вони складаються із основним струмом на краю провода і віднімаються від основного струму в середині провода. Завдяки цьому ефекту густина струму на поверхні провідника стає більшою, ніж в середині. На високих частотах густина струму в середині провідника зменшується майже до нуля. В таких випадках площа поперечного перерізу провода, що зайнята струмом, зменшується, і, відповідно, опір провідника зростає, бо чим менше площа, що зайнята струмом, тим більше опір.

Під дією поля внутрішнього провідника збільшується щільність струму на внутрішній поверхні зовнішнього провідника в коаксіальному колі (рис.25. б). Це так званий ефект близькості. Зовнішнє магнітне поле внутрішнього провідника перетинає зовнішній провідник і збуджує у ньому вихрові струми, які направлені так, що струм в зовнішньому провіднику збільшується на внутрішній його частині (рис.26).Таким чином, відбувається концентрація струмів на поверхнях провідників а та б, що звернені одна до одної (рис.26).

а б

Рисунок 25 – Пояснення поверхневого ефекту у внутрішньому (а) провіднику коаксіального кола. (б) – вплив поля внутрішнього провідника на зовнішній (ефект близькості)

Рисунок 26 – Перерозподіл струму на високих частотах в коаксіальному колі

Е фект близькості в симетричному колі обумовлений зовнішнім магнітним полем обох провідників. Зовнішнє магнітне поле провідника із струмом, перетинаючи сусідній провідник, збуджує у ньому вихрові струми, які направлені так, що повний струм в провіднику збільшується на тих частинах, що розташовані ближче одна до одної,і зменшується на віддалених частинах (рис.27). Інакше кажучи, змінні струми, що протікають у протилежних напрямках, начебто "притягуються" притягуються один до одного.

Рисунок 27 – Пояснення ефекту близькості в симетричному колі

Ефект близькості прямо пропорційний частоті, провідності та діаметру провідника, а також залежить від відстані між провідниками. Із зменшенням цієї відстані вплив ефекту близькості зростає в квадраті.

Навколо струмоведучих жил майже завжди присутні інші металеві маси. Це провідники сусідніх кабельних кіл, екрани, броня. Магнітне поле кожної струмоведучої жили проходить крізь ці металеві маси та збуджує в них вихрові струми (рис. 28). На створення цих струмів витрачається деяка енергія, тому опір провідників зростає.

Якщо порівняти дію ефектів, що розглянуті, то можна сказати, що найбільше підвищує опір провідника поверхневий ефект, дещо меншу дію має ефект близькості, та зовсім невелике значення має вплив оточуючих металевих мас на провідник із струмом.

Р исунок 28 – Вплив оточуючих металевих мас на провідник із струмом

Як можна побачити з рис.22, електромагнітне поле коаксіальної пари повністю замикається всередині неї, а електричні силові лінії діють на досить великій відстані від неї. Відсутність зовнішнього електромагнітного поля обумовлює головні переваги коаксіальних кабелів: широкий діапазон частот, велика кількість каналів, захищеність від завад. В симетричних колах через зовнішнє електромагнітне поле виникають вихрові струми в сусідніх колах та оточуючих металевих масах (свинцевій оболонці, екрані і т.п.) і частина енергії розсіюється у вигляді втрат на тепло.

Е лектромагнітне поле завад високої частоти, що створюється сусідніми колами передачі чи іншими джерелами, буде розповсюджуватись не по усьому перерізу кабелю, а лише по його зовнішній поверхні (рис.29). Таким чином, зовнішній провідник коаксіальної пари виконує дві функції: 1)є зворотним провідником кола передачі; 2) захищає (екранує) передачу по кабелю від впливів завад

Рисунок 29 – Робочий струм і струм завад в коаксіальному колі

Контрольні запитання

1. Навіщо уводяться параметри кабелів та апаратури?

2. Намалюйте еквівалентну схему відрізка кабельного кола.

3. Назвіть первинні параметри передачі, якій сенс вони мають?

4. Назвіть вторинні параметри передачі, якій сенс вони мають?

5. Що таке хвилевий опір кабельного кола?

6. Що таке загасання кабельного кола?

7. Назвіть складові втрат в кабельних колах.

8. Опишіть явище поверхневого ефекту.

9. Опишіть явище ефекту близькості.

10. Порівняйте дію ефектів, що впливають на опір та загасання кабельного кола.

11. Проаналізуйте дані таблиць 1 та 2.

12. Нарисуйте частотні залежності первинних та вторинних параметрів для симетричних та коаксіальних кіл.