Effek van die vel in oorspanskyningslyne

Huid-effek gedefinieer

Huid-effek in oordraaglyne is die verskynsel waar AC-stroom neig om naby die oppervlak van die geleider te konsentreer, wat die effektiewe weerstand verhoog.

Huid-effek word gedefinieer as die neiging van 'n AC-stroom om oneweredig oor die doorsnede van 'n geleider te verdeel, sodat die stroomdichtheid die hoogste is naby die oppervlak van die geleider en eksponensieel afneem na die kern. Dit beteken dat die binnekant van die geleider minder stroom dra as die buitekant, wat lei tot 'n verhoogde effektiewe weerstand van die geleider.

Huid-effek verminder die beskikbare doorsnede-area vir stroomvloei, verhoog kragverliese en geleider-verhitting. Dit verander die impedansie van die oordraaglyn, wat die spannings- en stroomverdeling beïnvloed. Hierdie effek versterk met hoër frekwensies, groter geleider-diameter en laer geleidbaarheid.

Huid-effek kom nie voor in direkte stroom (DC) stelsels nie, omdat die stroom eenvormig deur die hele doorsnede van die geleider vloei. Maar in AC-stelsels, veral dié wat by hoë frekwensies soos radio- en mikrogolfstelsels werk, kan huid-effek beduidende impak op die ontwerp en analise van oordraaglyne en ander komponente hê.

Oorsake van huid-effek

Huid-effek word veroorsaak deur die interaksie van die magnetiese veld wat deur die AC-stroom gegenereer word, met die geleider self. Soos in die figuur hieronder getoon, wanneer 'n AC-stroom deur 'n silindriese geleider vloei, skep dit 'n magnetiese veld om en binne die geleider. Die rigting en grootte van hierdie magnetiese veld verander volgens die frekwensie en amplitude van die AC-stroom.

Volgens Faraday se wet van elektromagnetiese induksie, induseer 'n veranderende magnetiese veld 'n elektriese veld in 'n geleider. Hierdie elektriese veld, op sy beurt, induseer 'n teenoorgestelde stroom in die geleider, genaamd 'n wervelstroom. Die wervelstrome sirkuleer binne die geleider en teenstaan die oorspronklike AC-stroom.

Die wervelstrome is sterker naby die kern van die geleider, waar hulle meer magneetveldkoppeling het met die oorspronklike AC-stroom. Dus skep hulle 'n hoër teenoorgestelde elektriese veld en verminder die netto stroomdichtheid by die kern. Anderkant, naby die oppervlak van die geleider, waar daar minder magneetveldkoppeling is met die oorspronklike AC-stroom, is daar swakker wervelstrome en 'n laer teenoorgestelde elektriese veld. Dus is daar 'n hoër netto stroomdichtheid by die oppervlak.

Hierdie verskynsel lei tot 'n oneweredige verdeling van stroom oor die doorsnede van die geleider, met meer stroom wat naby die oppervlak vloei as naby die kern. Dit staan bekend as die huid-effek in oordraaglyne.

Kwantifisering van huid-effek

Huid-effek kan gekwantifiseer word deur middel van huid-diepte of δ (delta), wat die diepte onder die oppervlak van die geleider is waar die stroomdichtheid tot ongeveer 37% van sy oppervlakwaarde afneem. 'n Kleiner huid-diepte dui op 'n meer ernstige huid-effek.

Die huid-diepte hang af van verskeie faktore, soos:

Die frekwensie van die AC-stroom: Hoër frekwensie beteken vinniger veranderinge in die magneetveld en sterker wervelstrome. Dus, die huid-diepte verminder as die frekwensie toeneem.

Die geleidbaarheid van die geleider: Hoër geleidbaarheid beteken laer weerstand en makliker vloei van wervelstrome. Dus, die huid-diepte verminder as die geleidbaarheid toeneem.

Die permeabiliteit van die geleider: Hoër permeabiliteit beteken meer magneetveldkoppeling en sterker wervelstrome. Dus, die huid-diepte verminder as die permeabiliteit toeneem.

Die vorm van die geleider: Verskillende vorms het verskillende geometriese faktore wat die magneetveldverdeling en wervelstrome beïnvloed. Dus, die huid-diepte varieer met verskillende vorms van geleiders.

Die formule om huid-diepte te bereken vir 'n silindriese geleider met 'n sirkulêre doorsnede is:

δ is die huid-diepte (in meter)

ω is die hoekfrekwensie van die AC-stroom (in radiale per sekonde)

μ is die permeabiliteit van die geleider (in henries per meter)

σ is die geleidbaarheid van die geleider (in siemens per meter)

Byvoorbeeld, vir 'n koper geleider met 'n sirkulêre doorsnede, wat by 10 MHz werk, is die huid-diepte:

Dit beteken dat slegs 'n dun laag van 0,066 mm naby die oppervlak van die geleider die meeste stroom dra by hierdie frekwensie.

Vermindering van huid-effekte

Huid-effekte kan verskeie probleme in oordraaglyne veroorsaak, soos:

• Verhoogde kragverliese en verhitting van die geleider, wat die effektiwiteit en betroubaarheid van die stelsel verminder.

• Verhoogde impedansie en spanningsval van die oordraaglyn, wat die seinkwaliteit en kraglewering beïnvloed.

• Verhoogde elektromagnetiese interferensie en straling van die oordraaglyn, wat nabyliggende toestelle en skakels kan beïnvloed.

Daarom is dit wenslik om die huid-effek in oordraaglyne so veel as moontlik te verminder. Sommige van die metodes wat gebruik kan word om huid-effekte te verminder, sluit in:

• Gebruik van geleiders met hoër geleidbaarheid en laer permeabiliteit, soos koper of silwer, in plaas van yster of staal.

• Gebruik van geleiders met kleiner diameters of doorsnee-areas verminder die verskil tussen die oppervlak- en kernstroomdichthede.

• Gebruik van gestrande of gevlokte geleiders in plaas van soliede geleiders verhoog die effektiewe oppervlakarea van die geleider en verminder die wervelstrome. 'n Spesifieke tipe gestrande geleider, bekend as litz-draad, is ontwerp om die huid-effek te minimeer deur die strengels op 'n manier te verdraai dat elke strengel verskillende posisies in die doorsnede oor sy lengte inneem.

• Gebruik van holle of buisdiele geleiders in plaas van soliede geleiders verminder die gewig en koste van die geleider sonder om sy prestasie beduidend te beïnvloed. Die hol gedeelte van die geleider dra nie veel stroom nie weens die huid-effek, dus kan dit sonder impak op die stroomvloei verwyder word.

• Gebruik van meerdere parallelle geleiders in plaas van 'n enkele geleider verhoog die effektiewe doorsnee-area van die geleider en verminder sy weerstand. Hierdie metode staan ook bekend as bundeling of transposisie.

• Vermindering van die frekwensie van die AC-stroom verhoog die huid-diepte en verminder die huid-effek. Dit mag egter nie prakties wees vir sekere toepassings wat hoë-frekwentiese sein nodig het nie.

Konklusie

Huid-effek is 'n verskynsel wat in oordraaglyne voorkom wanneer 'n AC-stroom deur 'n geleider vloei. Dit veroorsaak 'n oneweredige verdeling van stroom oor die doorsnede van die geleider, met meer stroom wat naby die oppervlak vloei as naby die kern. Dit verhoog die effektiewe weerstand en impedansie van die geleider en verminder sy effektiwiteit en prestasie.

Huid-effek hang af van verskeie faktore, soos die frekwensie, geleidbaarheid, permeabiliteit en vorm van die geleider. Dit kan gekwantifiseer word deur gebruik te maak van 'n parameter genaamd huid-diepte, wat die diepte onder die oppervlak is waar die stroomdichtheid tot 37% van sy waarde by die oppervlak afneem.

Huid-effek kan verminder word deur gebruik te maak van verskeie metodes, soos die gebruik van geleiders met hoër geleidbaarheid en laer permeabiliteit, kleiner diameter of doorsnee-area, gestrande of gevlokte struktuur, holle of buisdiele vorm, meerdere parallelle rangskikkings, of laer frekwensie.

Huid-effek is 'n belangrike konsep in elektriese ingenieurswese wat die ontwerp en analise van oordraaglyne en ander komponente wat AC-strome gebruik, beïnvloed. Dit moet in ag geneem word wanneer die gepaste tipe en grootte van geleiders vir verskillende toepassings en frekwensies gekies word.