Наше открытие, которое мы представили в предыдущей части этой работы, может иметь очень широкий спектр применения, но в этой части мы ограничимся энергетической составляющей этого явления. Динамический скин-эффект отличается от статического (классического) довольно сложными процессами в глубине проводника, через который течёт переменный ток.

На следующих диаграммах (рис. 9-10), как и в предыдущей части этой работы, изображается продольный разрез провода: от его поверхности, до его средины. Таким образом, низ рисунка — это нижняя поверхность проводника, а верх рисунка — его средина. По оси \(x\) здесь отложено время, один период колебаний (\(0..2\pi\)). Также напоминаем, что пока мы рассматриваем синусоидальный ток, протекающий по этому проводнику. Следовательно, диаграмму нужно смотреть слева-направо: в первый момент синус равен нулю и ток почти отсутствует, примерно на четверти колебания ток максимальный и плотность тока наивысшая; на половине колебания синус снова равен нулю и тока нет, после чего начинается обратный процесс, другой полярности. К окончанию периода (\(2\pi\)) синус снова станет равен нулю, как и протекающий ток, после чего весь процесс повторится снова.

Рис.9. Распределение плотности тока в проводе при d = 3Λ на одном периоде колебаний

Рис.10. Распределение плотности тока в проводе при d = 5Λ на одном периоде колебаний

Хотя такие диаграммы красивые и наглядные, но из них не просматривается энергетика всего процесса. Далее, мы постараемся исправить этот недостаток и для этого воспользуемся другим принципом построения графиков. На рисунке (11) представлен именно такой вариант. Этот график всключает в себя несколько кривых, каждая из которых отображает процесс изменения плотности тока в одном из слоём провода за один период колебания. Например, красная сплошная линия — \(j(\alpha, 0)\) — отражает плотность тока на поверхности проводника. Как видим, он полностью совпадает с синусоидой тока от источника.

Далее, спускаемся вглубь провода на глубину 0.5 от поперечной длины волны (о ней рассказано в предыдущей части этой работы). Эту кривую отображает синяя пунктирная линия — \(j(\alpha, 0.5)\), которая уже немного отличается от синусоиды. Спускаясь таким образом далее, вглубь проводника, мы увидим картину изменения плотности тока на расстоянии 1, 2 и 3 поперечной длины волны. Конечно же предполагается, что провод имеет достаточный для этого диаметр.

Рис.11. Распределение плотности тока в проводе при d = 0Λ, 0.5Λ, 1Λ, 2Λ, 3Λ на одном периоде колебаний

Нас должны заинтересовать последние кривые, где явно виден колебательный процесс с частотой выше основной. Причём значение частоты нарастает в интервале от максимума (минимума) синусоиды до её нуля. Этот момент мы и будем далее использовать.

Если мы возьмём за основу классический скин-эффект и замерим разность потенциалов между поверхностью проводника и его срединой, то мы получим классический же синус с амплитудой, равной амплитуде на его поверхности. Для энергетики это не представляет никакого интереса. Но давайте теперь рассмотрим динамический скин-эффект и замерим разность потенциалов между поверхностью проводника и различными его слоями. Математически такую разность можно получить вычитая из плотности поверхностного слоя, необходимый нам глубинный слой. Например, нахождения разности потенциалов для глубины в половину длины поперечной волны делается так: \(j(\alpha, 0) - j(\alpha, 0.5)\). Такие разности потенциалов и представлены на рисунке (12).

Рис.12. Разности потенциалов в проводе при глубине 0Λ, 0.5Λ, 1Λ, 2Λ, 3Λ на одном периоде колебаний

На рисунке хорошо видно, что максимумы некоторых потенциалов превышают единицу, а это означает, что на этих участках (далее, мы будем их называть срезами) мы можем получить прирост КПД второго рода более единицы. Подсчитать энергетический выигрыш мы можем сравнив RMS амплитуд на поверхности порводника и разности потенциалов на его глубине, за один и тот же период: \[ K_{\eta 2} = {A_d \over A_s} \qquad (2.1)\] \[ A_d = \int \limits_0^{\pi} [j(\alpha, 0) - j(\alpha, k)]^2\, \Bbb{d} \alpha, \quad A_s = \int \limits_0^{\pi} [j(\alpha, 0)]^2\, \Bbb{d} \alpha \] Причём \(k\) здесь — это кратность от длины поперечной волны. Из графика (12) можно сразу же сказать, что прирост КПД более единицы начинается на глубине более или равным 3Λ. Можно подсчитать, что там \(K_{\eta 2} (3Λ) = 1.28\). Интересны будут и другие глубины: \[ K_{\eta 2} (3Λ) = 1.28 \] \[ K_{\eta 2} (4Λ) = 1.48 \] \[ K_{\eta 2} (5Λ) = 1.45 \] \[ K_{\eta 2} (6Λ) = 1.35 \] Напоминаем, что интервал, по которому берутся эти интегралы: \(0..\pi\). Если же для интегрирования мы возьмём только часть этого интервала: \(\pi / 2..\pi\), то расклад будет немного другой: \[ K_{\eta 2} (3Λ) = 1.88 \] \[ K_{\eta 2} (4Λ) = 2.18 \] \[ K_{\eta 2} (5Λ) = 2.05 \] \[ K_{\eta 2} (6Λ) = 1.81 \] Эта часть интервала и разности потенциалов в проводнике, на указанных выше соотношениях с длиной поперечной волны, наглядно представлены на рисунке (13).

Рис.13. Разности потенциалов в проводе при глубине 3Λ, 4Λ, 5Λ, 6Λ на части периода колебаний

Из последнего рисунка видно, за счёт чего получается энергетический выигрыш. Такой подход можно было бы отнести к методам сжатия импульса во времени, но до сих пор это были довольно сложные и энергоёмкие технологии, например [1]. За счёт динамического скин-эффекта, при должной инженерной обработке, всё можно упростить до одного генератора и специально подготовленного провода!

Динамический скин-эффект подразумевает, что при переменном токе, в глубине проводника происходят процессы, которые в классической электродинамике ранее просто не рассматривались. Считалось, что по мере углубления в толщину провода, амплитуда плотности тока просто экспоненциально убывает. На самом деле, при правильной постановке задачи, в глубине проводника мы можем найти и точно рассчитать периодические процессы с частотой, превышающей основную — на его поверхности. Это приводит нас к понятию поперечной длины волны — параметра, с помощью которого очень удобно оперировать при расчётах.

Перспективным, по мнению автора, можно считать исследование в области совмещённых продольных и поперечных волн, которые могут дать большие показатели прироста КПД и более оптимальные схемы съёма энергии.

Новый подход к проблематике син-эффекта открывает новые возможности в альтернативной энергетике, упрощает методику разработки и энергозатраты на изготовление генераторов. Однако, на данном этапе требуется исследовательская и инженерная проработка теоретически полученных результатов. Это касается методов съёма энергии с проводника, соответствующей его конструкции и материала.