Skineffekt / Skin-Effekt
Der Skin-Effekt ist die Eigenschaft von Wechselströmen, bei der nur die Oberfläche eines Leiters für den Transport der Ladungsträger zur Verfügung steht. Beim Gleichstrom wird der komplette Leiterquerschnitt von Ladungsträgern durchflossen. Beim Wechselstrom werden in Abhängigkeit der Frequenz Wirbelströme und elektrische Felder erzeugt, die die Ladungsträger in die Haut (englisch: Skin) des Leisters verdrängen. Dabei dienen die elektrischen Felder als Träger der Energie dienen. Dabei verringert sich aber auch der für die Ladungsträger nutzbare Leiterquerschnitt, wobei der Wirkwiderstand des Leiters zunimmt.
Hinweis: In vielen Lehrbüchern ist die Beschreibung des Skineffekts falsch, obwohl die Erklärungsmuster auf den ersten Blick überzeugend sind.
Der Skineffekt beruht nicht darauf, dass der Strom nach außen gedrängt wird, sondern dass der Strom, genauer gesagt das elektrische Feld, aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Materials gar nicht erst in das Material eindringen kann.
Die Beschreibung wird in der Regel wie folgt dargestellt: Es existiert ein Wechselstrom I. Der erzeugt ein Magnetfeld H und dieses wiederum aufgrund des Induktionsgesetzes und der Materialeigenschaften einen Gegenstrom IW, der den ursprünglichen Strom I kompensiert. Wenn man sich das anschaulich vorstellt mag, dann wird der Strom innen kompensiert und außen größer. Man meint also, den Skineffekt verstanden zu haben. Doch das ist nicht ganz richtig.
Hierzu muss man sich die die Phasenbeziehung zwischen dem verursachenden Strom I und dem angeblichen Gegenstrom IW vergegenwärtigen. Der verursachende Strom I und der Gegenstrom IW haben eine Phasendifferenz von 90°. Um zu einer Kompensation zu gelangen, ist jedoch eine Phasendifferenz von 180° erforderlich.
Das entscheidende am Skineffekt sind die elektrischen Felder, die als Träger der Energie dienen, und nicht der Strom selbst. Den Begriff "Stromverdrängung" anzuwenden ist eher ungünstig gewählt.
Eindringtiefe des Stroms bzw. Skindicke in Abhängigkeit der Frequenz
| Frequenz | δ |
|---|---|
| 50 Hz | 9.38 mm |
| 60 Hz | 8.57 mm |
| 10 kHz | 0.66 mm |
| 10 MHz | 21 µm |
Um den Skin-Effekt zu reduzieren, werden hohe Frequenzen über mehrere voneinander isolierte Drähte übertragen. Die Kabel bestehen aus Litzen (Geflecht). Lautsprecherkabel bestehen aus Litzen und keinem festen Draht. Außerdem leitet eine glatte Oberfläche besser, als eine rauhe.
Alternativ kann man die Leiteroberfläche mit einem anderen Material mit besserer
Leitfähigkeit überziehen, um einen größeren Leitfähigkeitsunterschied zwischen Außenschicht und Kern zu erreichen. Zum Beispiel Silber und Aluminium, aber nicht Gold. Denkbar wäre, gleich einen hohlen Leiter zu verwenden, weil dann in der Innenwand ein Teil des Stroms fließen kann.
Typischerweise werden in der Hochfrequenztechnik Kupferdrähte versilbert. Die Schicht ist nur sehr dünn, da der Strom ausschließlich an der Oberfläche, dem Silber fließt. Besonders hohe Frequenzen werden über Hohlleiter übertragen. Bei ihnen wird auf den Innenleiter verzichtet. Er ist nur eine von innen versilberte rechteckige Röhre.
Bei sehr starken Lang- und Mittelwellensendern, werden große Spulen anstelle von dicken versilberten Kupferdrähten mit versilberten Kupferrohren realisiert. Wegen dem Skineffekt sind trotz reichlicher Versilberung die ohmschen Verluste aber so gross, dass diese Rohre mit Öl, das durch sie hindurchfließt, gekühlt werden müssen.
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