Skin efekt existuje

Je pojem „skin efekt“ ve světě audiofilů pouze „vúdú klamem“, nebo má tento jev popsaný v roce 1892 J. C. Maxwellem skutečně vliv na reprodukci hudby?

Nikola Tesla nechával v rámci svých ukázek přes své tělo protékat elektrický proud a holýma rukama rozsvěcoval trubice plněné vzácnými plyny. Pomocí Teslova transformátoru generujícího proud o vysoké frekvenci v řádech stovek kHz demonstroval svému publiku v té době nevídané možnosti přenosu elektrické energie. Jak je možné, že elektrický proud Teslu nezabil? Díky skin efektu, jak se dle názvu často mylně předpokládá, to nebylo. Je otázka, čemu věřil sám Tesla, že by proud o frekvencích Teslova transformátoru tekl pouze po povrchu těla, je však pouze další z řady miskoncepcí. O povrch ale jde.

Skin efekt opravdu existuje a jedná se o fyzikální děj, při kterém dochází k vytlačování elektrického proudu směrem k povrchu vodiče. Uplatňuje se však především u vodičů kovových. A jak to tedy Tesla udělal? Lidská nervová soustava nereaguje na proud od určité vysoké frekvence. Tesla se tedy nemusel bát o své srdce (o možné dočasné poškození tkání v těle ale ano). Lidské tělo je samozřejmě také vodič. Tělo však není kov – aby se zde skin efekt do nějaké míry prakticky projevil, je třeba proud o ještě vyšší frekvenci. Takové proudy našly využití v medicíně (a se skin efektem se tedy počítá například v elektrochirurgii).

Obrázek: OneTesla [CC BY-SA 4.0 ], via Wikimedia Commons

Jak skin efekt funguje?

Elektrický střídavý proud (I) procházející vodičem uzavírá kolem sebe siločáry magnetického toku (H), které v něm tvoří vířivé proudy (Iw). Vířivé proudy mají blíže ke středu vodiče opačný směr než původní elektrický proud a proto se odečítají. Blíže k povrchu vodiče jsou směry souhlasné, tudíž se vířivé proudy sčítají.

Nejvíce se skin efekt uplatňuje u plného kruhového průřezu vodiče. Lanko (spletení více tenkých vodičů), nebo plochý průřez vliv vířivých proudů omezuje. Při kmitočtu přenosové soustavy 50 Hz u měděných vodičů nepřesahuje skin efekt ztráty větší než 1 %.

Skin efekt je tím větší, čím jsou větší:

  • Frekvence proudu
  • Průřez vodiče
  • Vodivost materiálu vodiče
  • Relativní permeabilita vodiče

Kde se skin efekt v audio technice uplatňuje?

Tam, kde tečou velké střídavé proudy. Od proudového zdroje zesilovače, přes zesilovací prvek tranzistoru, nebo elektronky, až do reproduktoru. Nejvíce se tedy skin efekt uplatňuje u reproduktorových kabelů vzhledem k jejich délce. I když propojovací kabely jsou zpravidla nejdelšími kabely v audio řetězci – a tedy mají i největší vliv, kabely se nacházejí také uvnitř reproduktorových soustav. Na jejich vzdálenost (tj. vzdálenost mezi svorkami a reproduktorovým měničem) a kvalitu výrobci často nedbají, a to i v oblasti high endu.

Podle studie Malcolma Ravena z roku 2015 se skin efekt v kovových vodičích do nějaké míry (ale rozhodně) uplatňuje i na nízkých frekvencích. Autor v ní porovnává teoretické předpoklady se skutečným měřením impedance měděného, hliníkového a mosazného drátu a měděného lanka o průřezu 0,5 a 4 mm na frekvencích od 100 Hz do 1 MHz. Konstatuje, že výsledky měření jsou srovnatelné s teoretickým předpokladem a uplatňují se i na slyšitelných frekvencích do 20 kHz.

Má u reproduktorového kabelu skin efekt zásadní vliv?

Vliv ano, ale zásadní určitě ne. Z pohledu čistě elektrického zapojení audio řetězce (zesilovač – kabel – reproduktor) má každá z těchto součástí své parazitní (nechtěné) vlastnosti. Nejjednodušší z nich – kabel – je má samozřejmě také. Bedlivý čtenář (či elektrotechnik) ví, že každý kabel má jako hlavní parazitní vlastnost elektrický odpor, který je závislý také na teplotě. Tato parazitní vlastnost není však jediná. Reproduktorový kabel se skládá ze dvou izolovaných vodičů. Jedním teče proud směrem k reproduktoru, druhým se proud vrací opačným směrem. Jsou tedy ovlivňovány vzájemnou indukčností, která se uplatňuje jako druhý parazitní vliv hned po rezistivitě. Mezi vodiči se také uplatňuje vzájemná kapacita. Jako elektrické náhradní schéma kabelu lze tedy uvažovat zapojení dvou rezistorů (impedancí), které mají mezi sebou také indukční a kapacitní vazbu. Vliv všech těchto vlastností je podstatně větší než vliv skin efektu.

Závěr z praxe

Uvážíme-li všechny zmíněné (tj. důležité) parazitní vlastnosti, na vysoce citlivých reproduktorových soustavách jsou rozdíly v technologiích výroby kabelů slyšitelné. I při uvážení všech těchto vlastností (nemluvě o vlivu skin efektu) se ale jedná pouze o jednu součást celého audio řetězce, ve kterém nejpodstatnější roli hraje často opomíjená akustika poslechového prostoru. O té ale zase až příště.

Odkazy