Hautwirkung

Hautwirkung, englisch skin effect, bezeichnet in der Elektrotechnik das Phänomen, dass Wechselströme bei zunehmender Frequenz nicht gleichmäßig durch einen Leiter verteilt sind, sondern sich überwiegend an der Oberfläche konzentrieren. Dadurch wird die effektive Querschnittsfläche kleiner und der ohmsche Widerstand steigt im Vergleich zum Gleichstromfall. Die Hautwirkung ist insbesondere bei Leitern aus guten elektrischen Stoffen wie Kupfer oder Aluminium sowie in Hochfrequenzleitungen, Transformatoren und Netzleitungen bedeutsam.

Ursache und mathematische Beschreibung: Die Hautwirkung resultiert aus der zeitabhängigen Reaktion von Strömen auf elektromagnetische Felder und der damit verbundenen Diffusion des effektiven Stromflusses. Im sinusförmigen Betriebszustand nimmt die Stromdichte j(r) mit der Tiefe r in der Regel exponentiell ab. Die charakteristische Eindringtiefe wird als Hauttiefe delta defini und folgt der Gleichung delta = sqrt(2/(μ σ ω)), wobei μ die magnetische Permeabilität, σ die elektrische Leitfähigkeit und ω = 2πf die Winkelgeschwindigkeit des Wechselstroms ist. In guten Leitern mit hoher σ und bei höheren Frequenzen wird delta klein, der Strom fließt in einer dünnen Oberflächenschicht.

Folgen, Anwendungen und Gegenmaßnahmen: Die Hautwirkung erhöht den effektiven Wechselstrom-Widerstand und führt zu erhöhter Wärmeentwicklung (I²R-Verluste) sowie zu Impedanzveränderungen in Leitungen und Bauteilen. Sie begrenzt die nutzbare Querschnittsfläche von Drahten, Kabeln und Leiterbahnen in Hochfrequenztechnik. Maßnahmen gegen unerwünschte Hautwirkung umfassen Litzendraht, Mehrleiterkonstruktionen oder spezialisierte Oberflächenmaterialien sowie Designoptimierungen von Frequenz, Materialien und Geometrie. In vielen Anwendungen ist die Hautwirkung dennoch absichtlich genutzt, etwa zur Steuerung von Frequenzabhängigkeiten von Leiterquerschnitten.