A skin-effektus (ejtsd: “szkin”, magyaros nevén “bőrhatas”) az a jelenség, hogy egy váltakozó áram $\mathrm{(AC)}$ minél nagyobb frekvenciájú, annál inkább az áramot vezető test (tipikusan egy fémdrót) felszínén (a drót “bőrében”) folyik, azaz egyre kevésbé a drót belsejében. Tehát a váltakozó áram nem a drót teljes keresztmetszetében, nagyjából mindenhol egyenletesen elosztva folyik, ahogy egyenáram $\mathrm{(DC)}$ esetén, hanem a váltakozó áram nagyobb frekvenciák esetén egyre inkább “kiszorul” a drót felszínére.
A jelenség oka az elektromágneses indukció.
A skin-effektus működési mehanizmusa
Nézzünk egy drótot, melyben $I$ áram folyik felfelé!
Szemeljünk ki a drót közepén egy vékony "szálat":
Az ebben a szálban folyó áram maga körül örvényes mágneses mezőt kelt (egyenáram esetén is). A mágneses mező erővobalainak "száma" a \(\mathit{\Phi}\) mágneses fluxus:
Most nézzük a váltakozó áram $\mathrm{(AC)}$ esetét! Például az $I$ áramerősség éppen növekedjen! Ekkor az áram körüli mágneses fluxus is növekszik:
Az elektromágneses indukció lényege, hogy változó mágneses fluxus $(\mathit{\Delta \Phi })$ körül örvényes elektromos mező indukálódik $(E_i)$:
Az indukálódó elektromos mező erőt fejt ki a töltésekre, és mivel fémdrótban vagyunk, ahol vannak mozgásba hozható töltések (a szabad/vezetési/delokalizált elektronok), mozgásba is hozza őket. Ezzel \(I_i\) örvényáram indukálódik a változó mágneses fluxus körül. Az indukálódó áram irányát a balkéz-szabály alapján is meghatározhatjuk. Vagy (ami ezzel egyenértékű) azt is mondhatjuk, hogy a Lenz-törvény alapján az indukálódó áram olyan irányú lesz, hogy akadályozza az őt létrehozó változást. Jelen esetben a drótszálban felfelé növekedő áram volt a kezdeti változás, ezért az indukálódó áramnak ezt kell akadályoznia:
Nézzük ugyanezt oldalnézetből:
Tehát az indukálódó áram a drót közepén akadályozza az áram növekedését, míg a drót szélén segíti. Vagyis a drót belsejében nem tud nagy áram kialakulni, a drót felületén viszont igen.
Mivel az indukálódó elektromos mező örvényerőssége a mágneses fluxus változási ütemével arányos:
\[U_i=\sum_{0} {E_i\cdot \Delta s}=-\frac{\mathit{\Delta }\mathit{\Phi}}{\mathit{\Delta}t\ }\]
ezért a fent végiggondolt effektus annál jelentősebb, minél gyorsabban változik a drótban az áram, vagyis a váltakozó áram frekvenciája minél nagyobb.
A skin-mélység (skin depth)
A skin-effektus miatt egyre nagyobb frekvenciákon a drótban folyó áram egyre inkább a felszínen folyik:
Nincs éles átmenet, hogy hol folyik még áram, és hol nem. Az áramsűrűség a felszíntől a középpont felé haladva exponenciálisan csökken:
Azt a mélységet, ahol a drót szélein tapasztalható áramsűrűségnek már csak az $e$-ed része $(37\%\unicode{x2013} \mathrm{a})$ van meg, skin-mélységnek nevezzük. A skin-mélység erősen frekvenciafüggő. Néhány fémre a skin-mélység frekvenciafüggése:
Réz esetén európai hálózati frekvencián $(50\ \mathrm{Hz})$ a skin-mélyéség $10\ \mathrm{mm}$.
A skin-effektus következményei
Nagy frekvencián a drót belseje nem vesz részt az áramvezetésben, csak a felszíne. Emiatt szokás a felszínt vékony rétegben bevonni nagyon vezető ezüsttel. Másik módszer, hogy a tömör drót helyett vékony falú rézcsövet használnak például nagy teljesítményű rádióadókban:
Az indukciós olvasztók tekercse is rézcsőből készül:
A skin-effektus miatt az elektromos távvezetékeknél több párhuzamos szálban vezetik az áramot:
A skin-effektus miatt nem veszélyes a nagyon nagy frekvenciás áramütés, ha egy fémből készült ruha van rajtunk:
