Efekt kůže v přenosových článcích

Definice efektu kůže

Efekt kůže v přenosových článcích je jev, při němž se střídavý proud soustřeďuje poblíž povrchu vodiče, což zvyšuje jeho efektivní odpor.

Efekt kůže je definován jako tendence střídavého proudu k nerovnoměrnému rozdělení na průřezu vodiče tak, že hustota proudu je nejvyšší poblíž povrchu vodiče a exponenciálně klesá směrem k jádru. To znamená, že vnitřní část vodiče nese méně proudu než vnější část, což vede ke zvýšení efektivního odporu vodiče.

Efekt kůže snižuje dostupnou plochu průřezu pro proud, což zvyšuje ztráty energie a ohřev vodiče. Mění impedanci přenosového článku, což ovlivňuje rozdělení napětí a proudu. Tento jev se zesiluje s vyššími frekvencemi, většími průměry vodiče a nižšími vodivostmi.

Efekt kůže nevzniká v systémech s přímým proudem (DC), protože proud teče rovnoměrně po celém průřezu vodiče. V systémech s střídavým proudem, zejména těch, které pracují na vysokých frekvencích, jako jsou rádiové a mikrovolnové systémy, může efekt kůže mít významný dopad na návrh a analýzu přenosových článků a dalších komponent.

Příčiny efektu kůže

Efekt kůže je způsoben interakcí magnetického pole generovaného střídavým proudem s vodičem samotným. Jak je znázorněno na níže uvedené obrázku, když střídavý proud protéká válcovým vodičem, vytváří magnetické pole kolem a uvnitř vodiče. Směr a velikost tohoto magnetického pole se mění podle frekvence a amplitudy střídavého proudu.

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce se změnou magnetického pole indukuje elektrické pole v vodiči. Toto elektrické pole pak indukuje opačný proud v vodiči, nazývaný vířivý proud. Vířivé proudy cirkulují uvnitř vodiče a brání původnímu střídavému proudu.

Vířivé proudy jsou silnější blízko jádra vodiče, kde mají více vazeb magnetického toku s původním střídavým proudem. Proto vytvářejí vyšší opačné elektrické pole a snižují síťovou hustotu proudu v jádru. Na druhou stranu, blízko povrchu vodiče, kde je méně vazeb magnetického toku s původním střídavým proudem, jsou slabší vířivé proudy a nižší opačné elektrické pole. Proto je vyšší síťová hustota proudu na povrchu.

Tento jev vede k nerovnoměrnému rozdělení proudu na průřezu vodiče, kdy více proudu protéká blízko povrchu než blízko jádra. Toto je známo jako efekt kůže v přenosových článcích.

Kvantifikace efektu kůže

Efekt kůže lze kvantifikovat pomocí hloubky kůže nebo δ (delta), která je hloubka pod povrchem vodiče, kde hustota proudu klesne na asi 37 % své hodnoty na povrchu. Menší hloubka kůže indikuje větší efekt kůže.

Hloubka kůže závisí na několika faktorech, jako jsou:

Frekvence střídavého proudu: Vyšší frekvence znamená rychlejší změny magnetického pole a silnější vířivé proudy. Proto s rostoucí frekvencí klesá hloubka kůže.

Vodivost vodiče: Vyšší vodivost znamená nižší odpor a snazší tok vířivých proudů. Proto s rostoucí vodivostí klesá hloubka kůže.

Permeabilita vodiče: Vyšší permeabilita znamená více vazeb magnetického toku a silnější vířivé proudy. Proto s rostoucí permeabilitou klesá hloubka kůže.

Tvar vodiče: Různé tvary mají různé geometrické faktory, které ovlivňují rozdělení magnetického pole a vířivé proudy. Proto se hloubka kůže liší u různých tvarů vodičů.

Formule pro výpočet hloubky kůže pro válcový vodič s kruhovým průřezem je:

δ je hloubka kůže (v metrech)

ω je úhlová frekvence střídavého proudu (v radiánech za sekundu)

μ je permeabilita vodiče (v henryích na metr)

σ je vodivost vodiče (v siemens na metr)

Například, pro měděný vodič s kruhovým průřezem, pracující na frekvenci 10 MHz, je hloubka kůže:

To znamená, že pouze tenká vrstva 0,066 mm blízko povrchu vodiče nese většinu proudu na této frekvenci.

Snížení efektu kůže

Efekty kůže mohou způsobit několik problémů v přenosových článcích, jako jsou:

• Zvýšené ztráty energie a ohřev vodiče, což snižuje efektivitu a spolehlivost systému.

• Zvýšená impedančnost a pokles napětí v přenosovém článku, což ovlivňuje kvalitu signálu a dodávku energie.

• Zvýšená elektromagnetická rušení a záření z přenosového článku, které mohou ovlivnit blízké zařízení a obvody.

Proto je žádoucí snížit efekt kůže v přenosových článcích co nejvíce. Některé z metod, které lze použít k snížení efektu kůže, jsou:

• Použití vodičů s vyšší vodivostí a nižší permeabilitou, jako je měď nebo stříbro, místo železa nebo oceli.

• Použití vodičů s menšími průměry nebo průřezy snižuje rozdíl mezi hustotou proudu na povrchu a v jádru.

• Použití drátěných nebo pleštených vodičů místo pevných vodičů zvyšuje efektivní povrchovou plochu vodiče a snižuje vířivé proudy. Speciální typ drátěného vodiče, známý jako litzový drát, je navržen tak, aby minimalizoval efekt kůže tím, že se drátky stočí tak, aby každý drátek zabíral různé pozice v průřezu v délce vodiče.

• Použití dutých nebo trubkovitých vodičů místo pevných vodičů snižuje hmotnost a náklady vodiče bez významného ovlivnění jeho výkonu. Dutá část vodiče nesní moc proudu kvůli efektu kůže, takže ji lze odstranit bez ovlivnění proudu.

• Použití více paralelních vodičů místo jednoho vodiče zvyšuje efektivní průřez vodiče a snižuje jeho odpor. Tato metoda je také známa jako spojení nebo transpozice.

• Snížení frekvence střídavého proudu zvyšuje hloubku kůže a snižuje efekt kůže. Nicméně, to může být pro některé aplikace, které vyžadují vysokofrekvenční signály, nepraktické.

Závěr

Efekt kůže je jev, který nastává v přenosových článcích, když střídavý proud protéká vodičem. Způsobuje nerovnoměrné rozdělení proudu na průřezu vodiče, s více proudem protékajícím blízko povrchu než blízko jádra. To zvyšuje efektivní odpor a impedančnost vodiče a snižuje jeho efektivitu a výkon.

Efekt kůže závisí na několika faktorech, jako jsou frekvence, vodivost, permeabilita a tvar vodiče. Lze ho kvantifikovat pomocí parametru zvaného hloubka kůže, která je hloubka pod povrchem, kde hustota proudu klesne na 37 % své hodnoty na povrchu.

Efekt kůže lze snížit různými metodami, jako je použití vodičů s vyšší vodivostí a nižší permeabilitou, menším průměrem nebo průřezem, drátěného nebo plešteného uspořádání, dutého nebo trubkovitého tvaru, více paralelních uspořádání nebo nižší frekvence.

Efekt kůže je důležitý koncept v elektrotechnice, který ovlivňuje návrh a analýzu přenosových článků a dalších komponent, které používají střídavé proudy. Měl by být zohledněn při výběru vhodného typu a rozměru vodičů pro různé aplikace a frekvence.