Proximityeffekt, Skineffekt und magnetische Beeinflußung in Leitern kurz erklärt

Der Proximity-Effekt und der Skin-Effekt sind zwei Phänomene, die in verschiedenen Bereichen der Elektrotechnik eine Rolle spielen. Obwohl sie auf den ersten Blick unterschiedlich erscheinen, haben sie beide mit der Wechselwirkung von Feldern und Strömen bei Wechselspannungsbetrieb zu tun.

Der Proximity-Effekt

Der Proximity-Effekt, auch als Nahwirkungseffekt bekannt, tritt auf, wenn zwei oder mehr Leiter, die von Wechselströmen durchflossen werden, nahe beieinander liegen. Die magnetischen Felder, die von diesen Strömen erzeugt werden, beeinflussen sich gegenseitig. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Stromdichte innerhalb der Leiter. Die induzierten Wirbelströme erhöhen zusätzlich die Verluste im Leiter und erhöhen den Widerstand.

Konkret bewirkt der Proximity-Effekt, dass sich der Strom in den Leitern auf die Bereiche konzentriert, die am weitesten von den anderen Leitern entfernt sind. Dies führt zu einer Erhöhung des effektiven Widerstands der Leiter und damit zu höheren Verlusten.

Der Proximity-Effekt ist besonders relevant bei hohen Frequenzen und in Anwendungen, in denen mehrere Leiter eng beieinander liegen, wie beispielsweise in Transformatoren (z.B. Schaltnetzteile, Inverter), Spulen und Kabeln. Um die Auswirkungen des Proximity-Effekts zu minimieren, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden wie die Verwendung von Litzenleitern, die Verwendung von Flachleitern oder die Erhöhung des Abstands zwischen den Leitern. Auch die magnetische Schirmung kann hilfreich sein, wenn z.B. naheliegende Spulen ein großes magnetisches Streufeld haben.

Der Skin-Effekt

Der Skin-Effekt, auch als Hauteffekt bekannt, ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Wechselstrom durch einen Leiter fließt. Aufgrund der Selbstinduktion des Leiters wird der Strom nicht gleichmäßig über den Querschnitt des Leiters verteilt, sondern konzentriert sich auf die äußere Schicht des Leiters, die sogenannte Haut ((Stromverdrängung). Der Skineffekt tritt entgegen dem Proximityeffekt auch bei Einzelleitern auf!

Die Tiefe, in die der Strom in den Leiter eindringt, wird als Eindringtiefe bezeichnet und ist frequenzabhängig. Je höher die Frequenz, desto geringer ist die Eindringtiefe. Bei sehr hohen Frequenzen fließt der Strom fast ausschließlich an der Oberfläche des Leiters.

Der Skin-Effekt führt ebenfalls zu einer Erhöhung des effektiven Widerstands des Leiters und damit zu höheren Verlusten. Er ist besonders relevant bei hohen Frequenzen (Bsp. für Cu-Vollleiter: 100 kHz - 0.21 mm, 1 MHz - 0.066 mm) und in Anwendungen, in denen große Ströme übertragen werden, wie beispielsweise in Hochfrequenzleitungen, leistungsstarken, umrichterangetriebenen Elektromotoren und Induktionsheizungen.

Um die Auswirkungen des Skin-Effekts zu minimieren, können ähnliche Maßnahmen wie beim Proximity-Effekt wie die Verwendung von Litzenleitern oder die Vergrößerung der Leiteroberfläche im Verhältnis zu dem Querschnitt (Flachleiter) ergriffen werden.

Magnetische Anziehung bzw. Abstoßung

Bei Gleichstrom ist das Magnetfeld, dass jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt, stationär. Wenn Leiter, die von starken Gleichströmen durchflossen werden, nahe beieinander liegen, können die daraus resultierenden mechanischen Kräfte durch Abstoßung oder Anziehung eine entscheidende Rolle für die Konstruktion spielen (Vibration, Verformung). Ein ebenfalls zu vermeidender Effekt ist die Entstehung von Elektromigration durch das statische Gleichspannungsfeld.

Sowohl der Proximity-Effekt als auch der Skin-Effekt sind Phänomene, die bei Wechselströmen auftreten und zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung in Leitern führen. Dies führt zu erhöhten Verlusten und kann die Effizienz von elektrischen Systemen beeinträchtigen. Bei hohen Gleichspannungsströmen sind mechanische Effekte durch Anziehung oder Abstoßung dicht beieinander verlegter Leiter ein Effekt, der konstruktiv beachtet werden sollte. Elektrochemische Migration bei Gleichspannung kann man durch die Wahl passender Isolationsprodukte minimieren.