Als Skin- oder Hauteffekt wird eine spezielle Eigenschaft von Wechselströmen bezeichnet. Während Gleichstrom den kompletten Querschnitt eines Leiters für den Elektronenfluss nutzen kann, wird ein Wechselstrom abhängig von der Frequenz an die Oberfläche gedrängt. Deshalb steht nur ein geringer Anteil des Leiters, eben die Oberfläche oder die Haut (englisch skin) für den Transport der Elektronen zur Verfügung.
Ursache dieses Phänomens ist das beim Stromfluss entstehende Magnetfeld. Das bildet sich nicht nur um den Leiter, sondern auch im Inneren. Induzierte Wirbelströme im Material erzeugen ein Magnetfeld, das die Elektronen zur Oberfläche drängt, wo natürlich weniger Raum zur Verfügung steht. Dieser Effekt ist in der Mitte des Leiters am stärksten und nimmt zum Rand hin ab. Der effektiv nutzbare Leitungsquerschnitt verringert sich dadurch, und der Widerstand des Leiters nimmt zu. Der Effekt verstärkt sich nach außen hin, je höher die Freqenz wird.
Um diesen Effekt zu minimieren, werden in der Technik beim Transport hoher Frequenzen mehrere voneinander isolierte Drähte (Hochfrequenzlitze) eingesetzt. Auch spielt die Rauigkeit der Oberfläche eine gewichtige Rolle. Raue Oberflächen leiten den Strom schlechter.
Also gibt es abhängig von der Frequenz drei verschiedene "Kabeltypen:
- Massive Adern (meist aus Kupfer)
- Viele, kleine Adern zusammen gedrillt als ein Adernstrang: Die "Litze" (meist als Kupfer)
- Der Hohlleiter (je nach Frequenz rund oder Rechteckig und innen versilbert)Eindringtiefe des Stromes abhängig von der Frequenz:
- 50-60 Hz Wechselstrom (Haushalt): ca. 9 mm
- 100 kHz Wechseltrom (Hifi etc.) ca. 0.75 mm
- 10 MHz Wechselstrom (Rundfunk) ca. 0.020 mm
Adern und Litzen bei Gleichstrom und Wechselstrom mit niedriger Frequenz:
Während bei der in Deutschland üblichen Netzfrequenz von 50 Hz in den meisten Fällen noch das gesamte Kabel für den Stromtransport genutzt werden kann, sind es bei 10 kHz (Audiobereich) nur noch 0,7 Millimeter und bei 10 MHz (Kurzwelle) sogar nur noch wenige tausendstel Millimeter. Das erklärt auch, warum z.B. im Haushalt (240 Volt, Wechselstrom) massive Kuperadern verwendet werden, aber in z.B. Lautsprecherkabel immer viele kleine Adern ("Litzen") zu einem dickeren Kabel gebündelt werden. Dadurch erhöht sich die Oberfläche des Kabelstranges und der Widerstand wird gesenkt.
Im Starfighter ist fast die gesamte Bordelektrik
mit 400V Drehstrom ausgeführt. Daher können auch die Leitungen relativ
dünn und damit leicht ausgeführt werden, da bei gleicher angeschlossener
WATT-Zahl (also Leistung) und der sehr hohen Spannung auf Grund des Ohmschen Gesetztes (R = U / I
wobei: "R"=Widerstand "U"=Spannung "I"=Strom) die Stromstärke in
Ampere im umgekehrten Verhältnis sinkt. Und schon wieder wurde Gewicht gespart !
Zum Vergleich: Die Autoektrik (im PKW) verwendet 12 Volt Gleichstrom und
im LKW wird meist 24 Volt Gleichstrom verwendet.
Je höher die Spannung, desto geringer der Widerstand. Nur kann wegen massiven
Problemen mit den Isolationsmaterialen die Spannung nicht beliebig erhöht
werden. Ab 400-500V neigen die Leitungen zum "Durchschlagen" und benötigen dann
im Verhältnis wieder mehr Isoliermaterial (also Gewicht). Bei Gleichstrom ist
aber 24 Volt aufwärts auch die Absicherung ein riesen Problem. Herkömmliche
Sicherungen wären dann zu "träge" und ganze Kabelbäume würden schnell
durchbrennen wenn auch nur ein Kabel davon verletzt würde! Deshalb verwendet man
im Flugzeug wenn immer möglich den Drehstrom (also drei Phasen Wechselstrom, die
um 120° Grad versetzt sind). Das ist der beste Kompromiss aus hoher Leistung bei
leichten Kabel. Im Automobilbau wäre das jedoch zu aufwendig: Immerhin braucht
man mit dieser Technik pro angeschlossenen Verbraucher drei Sicherungsautomaten
oder Schmelzsicherungen.
Eine weitere Möglichkeit, die Leitfähigkeit zu erhöhen, besteht darin, die Oberfläche mit besser leitenden Stoffen wie Gold oder Silber zu überziehen. Gold ist zwar teuer, bietet aber den Vorteil, dass das Metall nicht an der Oberfläche oxidiert und unansehnlich wird. Deshalb sind bei hochwertigem Hi-Fi-Geräten die Stecker und Buchsen oft vergoldet.
Hohlleiter bei RADAR und Rundfunkfrequenzen:
In der Hochfrequenztechnik kommen dagegen mit
Silber beschichtete Kupferdrähte zum Einsatz. Dabei genügt eine recht dünne
Silberauflage, da ja fast der gesamte Strom nur auf der Oberfläche fließt. Bei
ganz hohen Frequenzen kann sogar komplett auf den Innenleiter verzichtet werden
(Hohlleiter). Die bestehen nur aus einer von innen versilberten rechteckigen
Röhre.
Die elektrischen Leitungen des EL-70/EL-73 RADAR-Warn- und Störgerätes im
Starfighter (und auch später im AlphaJet) sind keine Kabel im herkömmlichen
Sinne mehr, sondern zwei parallel laufende Hohlleiter mit ca. 30x10mm
Innenquerschnitt aus Aluminium durch die gesamte Maschine. Kupfer wäre besser,
aber auch schwerer!. Als Umschalter zwischen den verschiedenen Systemen werden
mechanische "Ventile" benutzt, die mehr einem Ventil für eine Wasserleitung
entsprechen, als einem herkömmlichen Schalter! Genauso sind die Leitungen von
RADAR-Sender (direkt vor dem Cockpit) bis zur schwenkbaren Antennen (im Radom)
gleich aufgebaut. Zusätzlich kommen hier jedoch noch zwei Drehgelenke für die
beiden kardanischen Schwenkachsen der RADAR-Antenne hinzu.