Поверхневий ефект не терпить поверхового ставлення
Сергій Подоляк,
м Вінниця
У даній статті я б хотів загострити увагу аудиофилов на ефекті, який багато з недавніх пір називають `транзисторним ', деякі давно ведуть з ним боротьбу в ВЧ і НВЧ техніці, деякі в ході боротьби з ним випускають міжблочні і акустичні кабелі вартістю до декількох тисяч американських доларів, дехто намагається представити цей ефект ні чим іншим, як просто ... галюцинаціями аудиофилов! Нижче я розповім, як за пару вечорів в домашніх умовах з підручних матеріалів виготовити чудовий (т. Е. Абсолютно нейтральний в широкому діапазоні частот) аудіокабель, який не поступається за якістю кращим світовим зразкам. Але перш, щоб все стало на свої місця, я скажу наступне: вся звукова і високочастотна радіоапаратура сконструйована неправильно! Далі по тексту передбачені ваші ймовірні питання.
- Ми про це і без вас давно підозрювали. Ну і в чому ж тут справа?
Відомо, що при проходженні змінного струму по провідному шару провідника або напівпровідника має місце так званий `поверхневий ефект '(скін-ефект). При цьому велика частина рухомих електричних зарядів через електромагнітної індукції розташовується поблизу поверхні струмопровідного шару. Негативна дія скін ефекту проявляється в тому, що велика центральна частина струмопровідного шару не бере участі в перенесенні електричних зарядів, що викликає підвищений опір провідника електричного струму. Фроме того, скін-ефект в металевих дротах і в обкладках конденсаторів призводить до повільного перерозподілу рухомих електронів від центру до поверхні, внаслідок чого виникають небажані ефекти спрямованості і `притирання 'кабелів, а в конденсаторах посилюється ефект` пам'яті'. Негативна дія скін-ефекту на кабелі та проводи ускладнюється ще й тим, що хімічні сполуки металу струмопровідного шару з киснем і азотом повітря, що утворюються на поверхні проводу в результаті корозії, мають діелектричні і напівпровідниковими властивостями, що, в свою чергу, сприяє зростанню втрат і спотворень. фак відомо, ступінь прояву скін ефекту залежить від частоти струму. еочнее, від миттєвої частоти струму. З ростом частоти товщина поверхневого шару, по якому проходить струм, зменшується. У разі широкосмугового сигналу, де миттєва частота насилу піддається опису, скін-ефект викликає повний бардак в розміщенні рухомих електронів по поперечному перерізі провідника. Наслідком цього є нелінійні, інтермодуляційні і частотно-фазові спотворення електричного широкосмугового сигналу, що проходить через провідник або напівпровідник. У побутовій та професійної відеоапаратури скін-ефект сполучних міжблочних і акустичних проводів призводить до помітних на слух спотворень сигналів, що погіршує якість звуковідтворення. У радіоприймальної апаратури наслідки скін ефекту (наприклад, в кабелі, що з'єднує антену зі входом радіоприймального пристрою) через створюваних ним інтермодуляционних спотворень широкосмугового сигналу полягають в зниженні вибірковості, зменшенні відносини `сигнал / шум 'і зниженні реальної чутливості. Відомо, що при проходженні змінного струму по провіднику основна (корисна) електромагнітна хвиля поширюється вздовж провідника по прямій лінії між точками з різними потенціалами. Через скін-ефекту крім корисної хвилі виникає небажана паразитная електромагнітна хвиля, спрямована від центральної осі токопроводящего елемента до його поверхні, перпендикулярно напрямку корисної хвилі, викликаючи фазові спотворення проходить сигналу. У цифрових імпульсних пристроях, наприклад, комп'ютерах, через скін-ефекту в мідних провідниках друкованих плат і роз'ємів спотворюється форма коротких імпульсів, що призводить до зривів синхронізації, збоїв в реєстрації імпульсів. Це основна перешкода підвищенню тактової частоти в материнських платах і роз'ємах комп'ютерів. На надвисоких частотах скін-ефект різко знижує добротність реактивних елементів - конденсаторів і котушок індуктивності. Внаслідок цього на частотах вище 1 гГц скін-ефект є основним чинником, що обмежує мініатюризацію радіоелектронних виробів, наприклад мікросхем. Саме скін-ефект несе відповідальність за так званий `транзисторний ефект 'звучання. У транзисторах поперечна площа кристала набагато менше площі поперечного перерізу електронного хмари, як і площ катода і анода в лампі. Фроме того, контактні площадки на поверхні кристала транзистора під'єднані тонюсенькими тяганиною (це знає кожен, хто хоч раз бачив транзистор без корпусу), в яких скін ефекту живеться дуже привільно.
- Що ж можна зробити для боротьби з цим явищем?
Я можу порекомендувати недорогий і ефективний спосіб нейтралізації скін-ефекту. Він заснований на тій обставині, що матеріал переважної більшості провідників (мідь, срібло, алюміній, латунь) і напівпровідникових (кремній, германій) елементів має показник відносної магнітної проникності m від 0,9999 до 1,0001, т. Е. Близько одиниці. Поверхня токопроводящего елемента 1 покривають парамагнитной оболонкою 2 (див. Рис.), Причому оболонка не обов'язково повинна щільно прилягати, можливий деякий невеликий зазор. Оболонка виконується у вигляді одного або декількох шарів твердого парамагнитного m більше 1 діелектричного матеріалу (магнітодіелектрика), що володіє на макрорівні показником відносної магнітної проникності m, в кілька разів перевершує проникність токопроводящего елемента, низькою електропровідністю, а також малими втратами на перемагнічування (петля гистерезиса). На рис. для наочності показано два шари оболонки: шар 3 і шар 4. Оболонка повинна закріплюватися нерухомо щодо токопроводящего елемента на його поверхні; в разі зазору ширина його не повинна перевищувати половину довжини хвилі змінного струму в токопроводящем елементі.
- І що це дає?
Малюнок Протікає в токопроводящем елементі 1 перпендикулярно площині малюнка змінний струм створює усередині провідного шару елемента 1 небажане поперечне електромагнітне поле скін-ефекту. Силові лінії 6 цього поля діють на елементарні заряди, що рухаються 5 всередині токопроводящего елемента 1 і спрямовані від центру струмопровідного шару до його поверхні. У той же час основний (корисний) змінний струм сигналу, що протікає по струмопровідних елементу 1, створює в шарах 3 і 4 парамагнитной оболонки 2 протидіє магнітне поле, силові лінії 7 якого спрямовані від поверхні струмопровідного елемента 1 до його центру і також впливають на елементарні рухомі заряди 5 всерединіпровідника 1. Інтенсивність і того, і іншого полів зростає зі збільшенням сили струму і з ростом частоти. еакім чином досягається компенсація дії паразитного поперечного поля і однорідний розподіл електричного струму по всьому поперечним перерізом струмопровідного шару. Для більшості слабкострумових струмопровідних елементів з метою досягнення позитивного ефекту парамагнітна оболонка може виконуватися з матеріалу з показником відносної магнітної проникності від 1,5 до 20 товщиною кілька десятків мікрон і більше. Для силових струмопровідних елементів, при малих розмірах провідника, а також для низькочастотних пристроїв оболонка може бути схожою товщини при величині m від 1,5 до 50. гслі матеріал оболонки володіє показником m більше 50, а довжина струмопровідного елемента значна (кілька метрів), то поряд з паразитного поперечною хвилею корисна хвиля також буде придушуватися, зросте власна індуктивність кабелю і втрати в самій оболонці, а проходить сигнал отримає фазові зрушення. Для наочності принцип, на якому заснований даний спосіб боротьби зі скін-ефектом, можна порівняти з магнітною або електромагнітної фокусуванням пучка електронів в електронно-променевої трубки, наприклад, телевізійному кінескопа. У кінескопа потік електронів рухається з прискоренням в вакуумі під дією високого анодного напруги від катода до анода (екрана). При цьому внаслідок взаімоотталківающіеся дії падаючий на екран електронний промінь утворює розмите пляма. Тому необхідна примусова фокусування променя, для чого застосовуються котушки, що створюють кільцеве електромагнітне поле навколо електронного пучка. Еак досягається фокус і зведення.
Крім виготовлення кабелів, описаний метод боротьби зі скін-ефектом може бути застосований на промисловому рівні щодо струмопровідних елементів будь-яких форм і видів, виконаних з провідників, надпровідників і напівпровідників з показником відносної магнітної проникності близько одиниці, призначених для пропускання струму і управління струмом в широкому діапазоні сили і частоти. саявленний метод може бути застосований, наприклад, у виробництві кабелів зв'язку, монтажних і сполучних проводів, транзисторів, діодів, інтегральних мікросхем, контактних пристроїв, роз'ємів, резисторів, електричних конденсаторів і високочастотних котушок індуктивності.
- І що ж ми отримаємо в результаті застосування запропонованого вами методу?
Отримаємо задоволення від прослуховування музики.
- Остаточне можливості для покращення якості звучання?
Не зовсім. Почніть з цього.