ظاهرة الجلد في خطوط النقل
تعريف تأثير الجلد
تأثير الجلد في خطوط النقل هو الظاهرة التي تتجمع فيها التيار المتردد بالقرب من سطح الموصل، مما يزيد من مقاومته الفعالة.
يُعرف تأثير الجلد بأنه ميل التيار المتردد للتوزيع بشكل غير متساوٍ عبر مقطع الموصل بحيث يكون كثافة التيار أعلى بالقرب من سطح الموصل وتقل بشكل أسّي نحو المركز. وهذا يعني أن الجزء الداخلي من الموصل يحمل تيارًا أقل من الجزء الخارجي، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الفعالة للموصل.
يقلل تأثير الجلد من المساحة المقطعية المتاحة لتدفق التيار، مما يزيد من خسائر الطاقة وتسخين الموصل. كما يغير تأثير الجلد معاوقة خط النقل، مما يؤثر على توزيع الجهد والتيار. يزداد هذا التأثير مع الترددات الأعلى وأقطار الموصل الأكبر والموصلية الأقل.
لا يحدث تأثير الجلد في أنظمة التيار المستمر (DC) لأن التيار يتدفق بشكل موحد عبر مقطع الموصل. ومع ذلك، في أنظمة التيار المتردد، خاصة تلك التي تعمل بترددات عالية مثل أنظمة الراديو والميكروويف، يمكن أن يكون لتأثير الجلد تأثيرات كبيرة على تصميم وتحليل خطوط النقل والمكونات الأخرى.
أسباب تأثير الجلد
يحدث تأثير الجلد بسبب التفاعل بين المجال المغناطيسي الذي يولده التيار المتردد والموصل نفسه. كما هو موضح في الشكل أدناه، عندما يتدفق تيار متردد عبر موصل أسطواني، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا حول داخل الموصل. تتغير اتجاه ومقدار هذا المجال المغناطيسي وفقًا لتردد وسعة التيار المتردد.
وفقاً لقانون فارادي للإندفاع الكهرومغناطيسي، فإن التغير في المجال المغناطيسي يولد مجالًا كهربائيًا في الموصل. يولد هذا المجال الكهربائي، بدوره، تيارًا مضادًا في الموصل يسمى تيارًا دواميًا. تدور التيار الدوامي داخل الموصل ويقاوم التيار المتردد الأصلي.
تكون التيار الدوامي أقوى بالقرب من مركز الموصل حيث يكون لديه ربط مغناطيسي أكبر مع التيار المتردد الأصلي. لذلك، يخلق مجالًا كهربائيًا مضادًا أعلى ويقلل من كثافة التيار الصافية في المركز. من ناحية أخرى، بالقرب من سطح الموصل، حيث يكون هناك ربط مغناطيسي أقل مع التيار المتردد الأصلي، تكون التيار الدوامي أضعف وهناك مجال كهربائي مضاد أقل. لذلك، يكون هناك كثافة تيار صافية أعلى على السطح.
هذه الظاهرة تؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للتيار عبر مقطع الموصل، مع تدفق المزيد من التيار بالقرب من السطح أكثر من المركز. وهذا يعرف باسم تأثير الجلد في خطوط النقل.
قياس تأثير الجلد
يمكن قياس تأثير الجلد باستخدام عمق الجلد أو δ (دلتا)، وهو العمق تحت سطح الموصل حيث تنخفض كثافة التيار إلى حوالي 37٪ من قيمتها على السطح. يشير عمق الجلد الأصغر إلى تأثير جلد أكثر حدة.
يعتمد عمق الجلد على عدة عوامل، مثل:
تردد التيار المتردد: كلما زاد التردد، زادت سرعة التغيرات في المجال المغناطيسي والتيار الدوامي. لذلك، ينخفض عمق الجلد مع زيادة التردد.
الموصلية للموصل: كلما زادت الموصلية، انخفضت المقاومة وسهل تدفق التيار الدوامي. لذلك، ينخفض عمق الجلد مع زيادة الموصلية.
النفاذية للموصل: كلما زادت النفاذية، زاد الربط المغناطيسي والتيار الدوامي. لذلك، ينخفض عمق الجلد مع زيادة النفاذية.
شكل الموصل: تختلف الأشكال المختلفة في العوامل الهندسية التي تؤثر في توزيع المجال المغناطيسي والتيار الدوامي. لذلك، يختلف عمق الجلد باختلاف أشكال الموصلات.
معادلة حساب عمق الجلد لموصل أسطواني بمقطع دائري هي:
δ هو عمق الجلد (بالمتر)
ω هو التردد الزاوي للتيار المتردد (بالراديان في الثانية)
μ هي النفاذية للموصل (بوحدة هنري لكل متر)
σ هي الموصلية للموصل (بوحدة سيمنز لكل متر)
على سبيل المثال، لموصل من النحاس بمقطع دائري يعمل بتردد 10 ميجا هرتز، يكون عمق الجلد:
هذا يعني أن طبقة رقيقة بسمك 0.066 ملم بالقرب من سطح الموصل تحمل معظم التيار عند هذا التردد.
تخفيض تأثير الجلد
يمكن أن يسبب تأثير الجلد العديد من المشاكل في خطوط النقل، مثل:
زيادة خسائر الطاقة وتسخين الموصل، مما يقلل من كفاءة وموثوقية النظام.
زيادة المعاوقة وهبوط الجهد في خط النقل، مما يؤثر على جودة الإشارة وتسليم الطاقة.
زيادة التداخل الكهرومغناطيسي والإشعاع من خط النقل، مما يمكن أن يؤثر على الأجهزة والدوائر القريبة.
لذلك، من المرغوب فيه تخفيض تأثير الجلد في خطوط النقل قدر الإمكان. بعض الطرق التي يمكن استخدامها لتخفيف تأثير الجلد هي:
استخدام موصلات ذات موصلية أعلى ونفاذية أقل، مثل النحاس أو الفضة، بدلاً من الحديد أو الفولاذ.
استخدام موصلات بأقطار أو مساحات مقطعية أصغر لتقليل الفرق بين كثافة التيار على السطح وفي المركز.
استخدام موصلات متعددة الأوتار أو متشابكة بدلاً من الموصلات الصلبة لزيادة المساحة السطحية الفعالة للموصل وتقليل التيار الدوامي. نوع خاص من الموصل المتعدد الأوتار يسمى سلك ليتز مصمم لتقليل تأثير الجلد عن طريق تجعيد الأوتار بطريقة تجعل كل وتر يحتل مواقع مختلفة في المقطع العرضي على طول طوله.
استخدام موصلات فارغة أو أنابيبية بدلاً من الموصلات الصلبة لتقليل وزن وتكلفة الموصل دون التأثير بشكل كبير على أدائه. الجزء الفارغ من الموصل لا يحمل الكثير من التيار بسبب تأثير الجلد، لذا يمكن إزالته دون التأثير على تدفق التيار.
استخدام موصلات متعددة متوازية بدلاً من موصل واحد لزيادة المساحة المقطعية الفعالة للموصل وتقليل مقاومته. هذه الطريقة تُعرف أيضًا بالتجميع أو التحويل.
تقليل تردد التيار المتردد لزيادة عمق الجلد وتقليل تأثير الجلد. ومع ذلك، قد لا يكون هذا ممكنًا لبعض التطبيقات التي تتطلب إشارات عالية التردد.
الخاتمة
تأثير الجلد هو ظاهرة تحدث في خطوط النقل عندما يتدفق تيار متردد عبر موصل. يتسبب في توزيع غير متساوٍ للتيار عبر مقطع الموصل، مع تدفق المزيد من التيار بالقرب من السطح أكثر من المركز. هذا يزيد من المقاومة الفعالة ومعاوقة الموصل ويقلل من كفاءته وأدائه.
يعتمد تأثير الجلد على عدة عوامل، مثل التردد والموصلية والنفاذية وشكل الموصل. يمكن قياسه باستخدام معلمة تسمى عمق الجلد، وهو العمق تحت السطح حيث تنخفض كثافة التيار إلى 37٪ من قيمتها على السطح.
يمكن تقليل تأثير الجلد باستخدام طرق مختلفة، مثل استخدام موصلات ذات موصلية أعلى ونفاذية أقل، قطر أو مساحة مقطعية أصغر، بنية متعددة الأوتار أو متشابكة، شكل فارغ أو أنابيب، ترتيبات متوازية متعددة، أو تردد أقل.
تأثير الجلد هو مفهوم مهم في الهندسة الكهربائية يؤثر على تصميم وتحليل خطوط النقل والمكونات الأخرى التي تستخدم التيار المتردد. يجب مراعاته عند اختيار النوع والحجم المناسبين للموصلات لتطبيقات وأترادات مختلفة.
