Επίδραση Δέρματος σε Γραμμές Μετάδοσης

Encyclopedia

Πεδίο: Εγκυκλοπαίδεια

China

Ορισμός του Φαινομένου Skin Effect

Το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης είναι το φαινόμενο όπου η εναλλακτική (AC) ρευστή συγκεντρώνεται κοντά στην επιφάνεια του διαχωριστή, αυξάνοντας την αποτελεσματική του αντίσταση.

Το φαινόμενο skin effect ορίζεται ως η τάση μιας εναλλακτικής (AC) ρευστής να κατανέμεται ανομοιογενώς πάνω στην διατομή ενός διαχωριστή, έτσι ώστε η πυκνότητα ρευστής να είναι μεγαλύτερη κοντά στην επιφάνεια του διαχωριστή και να μειώνεται εκθετικά προς τον πυρήνα. Αυτό σημαίνει ότι το εσωτερικό μέρος του διαχωριστή μεταφέρει λιγότερη ρευστή από το εξωτερικό, αποτελεί την αύξηση της αποτελεσματικής αντίστασης του διαχωριστή.

Το φαινόμενο skin effect μειώνει τη διαθέσιμη διατομή για ροή ρευστής, αυξάνοντας τις απώλειες ενέργειας και τη θέρμανση του διαχωριστή. Αλλάζει την αντίσταση της γραμμής μετάδοσης, επηρεάζοντας την κατανομή τάσης και ρευστής. Αυτό το φαινόμενο εντείνεται με υψηλότερες συχνότητες, μεγαλύτερες διαμέτρους διαχωριστή και χαμηλότερη συγκεκριμένη ηλεκτρική διαχωριστικότητα.

Το φαινόμενο skin effect δεν συμβαίνει σε συστήματα άμεσης ρευστής (DC), επειδή η ρευστή ρέει ομοιόμορφα σε όλη τη διατομή του διαχωριστή. Ωστόσο, σε συστήματα AC, ειδικά εκείνα που λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες, όπως τα ραδιοφωνικά και μικροκυματικά συστήματα, το φαινόμενο skin effect μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις στο σχεδιασμό και ανάλυση των γραμμών μετάδοσης και άλλων συστατικών.

Αιτίες του Φαινομένου Skin Effect

Το φαινόμενο skin effect προκαλείται από την αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από την εναλλακτική (AC) ρευστή με τον διαχωριστή. Όπως φαίνεται στο σχήμα παρακάτω, όταν μια εναλλακτική (AC) ρευστή ρέει μέσα σε έναν κυλινδρικό διαχωριστή, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω και μέσα στον διαχωριστή. Η κατεύθυνση και η ένταση αυτού του μαγνητικού πεδίου αλλάζουν σύμφωνα με τη συχνότητα και την εξάπλωση της εναλλακτικής (AC) ρευστής.

Σύμφωνα με το νόμο Faraday της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο επενδύει ένα ηλεκτρικό πεδίο σε έναν διαχωριστή. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο, σε σειρά, επενδύει μια αντίθετη ρευστή στον διαχωριστή, ονομαζόμενη εδδική ρευστή. Οι εδδικές ρευστές κυκλοφορούν μέσα στον διαχωριστή και αντιτίθενται στην αρχική εναλλακτική (AC) ρευστή.

Οι εδδικές ρευστές είναι ισχυρότερες κοντά στον πυρήνα του διαχωριστή, όπου έχουν περισσότερη σύνδεση μαγνητικού ροής με την αρχική εναλλακτική (AC) ρευστή. Επομένως, δημιουργούν ένα υψηλότερο αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο και μειώνουν την καθαρή πυκνότητα ρευστής στον πυρήνα. Από την άλλη, κοντά στην επιφάνεια του διαχωριστή, όπου υπάρχει λιγότερη σύνδεση μαγνητικού ροής με την αρχική εναλλακτική (AC) ρευστή, υπάρχουν αδύνατες εδδικές ρευστές και χαμηλότερο αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο. Επομένως, υπάρχει μια υψηλότερη καθαρή πυκνότητα ρευστής στην επιφάνεια.

Αυτό το φαινόμενο αποτελεί μια ανομοιογενή κατανομή ρευστής πάνω στη διατομή του διαχωριστή, με περισσότερη ρευστή να ρέει κοντά στην επιφάνεια από τον πυρήνα. Αυτό είναι γνωστό ως το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης.

Ποσοτική Περιγραφή του Φαινομένου Skin Effect

Το φαινόμενο skin effect μπορεί να ποσοτικοποιηθεί χρησιμοποιώντας το βάθος skin (δέλτα, δ), το οποίο είναι το βάθος κάτω από την επιφάνεια ενός διαχωριστή όπου η πυκνότητα ρευστής μειώνεται σε περίπου 37% της τιμής της στην επιφάνεια. Ένα μικρότερο βάθος skin δείχνει ένα πιο σοβαρό φαινόμενο skin effect.

Το βάθος skin εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως:

Η συχνότητα της εναλλακτικής (AC) ρευστής: Υψηλότερη συχνότητα σημαίνει γρηγορότερες αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο και ισχυρότερες εδδικές ρευστές. Επομένως, το βάθος skin μειώνεται καθώς η συχνότητα αυξάνεται.

Η συγκεκριμένη ηλεκτρική διαχωριστικότητα του διαχωριστή: Υψηλότερη συγκεκριμένη ηλεκτρική διαχωριστικότητα σημαίνει χαμηλότερη αντίσταση και ευκολότερη ροή εδδικών ρευστών. Επομένως, το βάθος skin μειώνεται καθώς η συγκεκριμένη ηλεκτρική διαχωριστικότητα αυξάνεται.

Η μεταβατικότητα του διαχωριστή: Υψηλότερη μεταβατικότητα σημαίνει περισσότερη σύνδεση μαγνητικού ροής και ισχυρότερες εδδικές ρευστές. Επομένως, το βάθος skin μειώνεται καθώς η μεταβατικότητα αυξάνεται.

Η μορφή του διαχωριστή: Διαφορετικές μορφές έχουν διαφορετικούς γεωμετρικούς παράγοντες που επηρεάζουν την κατανομή του μαγνητικού πεδίου και τις εδδικές ρευστές. Επομένως, το βάθος skin μεταβάλλεται με διαφορετικές μορφές διαχωριστών.

Η τύπος για τον υπολογισμό του βάθους skin για έναν κυλινδρικό διαχωριστή με κυκλική διατομή είναι:

δ είναι το βάθος skin (σε μέτρα)

ω είναι η γωνιακή συχνότητα της εναλλακτικής (AC) ρευστής (σε ραδιανα ανά δευτερόλεπτο)

μ είναι η μεταβατικότητα του διαχωριστή (σε Χένρι ανά μέτρο)

σ είναι η συγκεκριμένη ηλεκτρική διαχωριστικότητα του διαχωριστή (σε Σιέμενς ανά μέτρο)

Για παράδειγμα, για έναν διαχωριστή από χάλυβα με κυκλική διατομή, που λειτουργεί σε 10 MHz, το βάθος skin είναι:

Αυτό σημαίνει ότι μόνο ένας λεπτός στρώματος 0,066 mm κοντά στην επιφάνεια του διαχωριστή μεταφέρει το μεγαλύτερο μέρος της ρευστής σε αυτή τη συχνότητα.

Μείωση του Φαινομένου Skin Effect

Το φαινόμενο skin effect μπορεί να προκαλέσει πολλά προβλήματα στις γραμμές μετάδοσης, όπως:

Αύξηση των απωλειών ενέργειας και θέρμανση του διαχωριστή, η οποία μειώνει την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία του συστήματος.

Αύξηση της αντίστασης και της πτώσης τάσης της γραμμής μετάδοσης, η οποία επηρεάζει την ποιότητα του σήματος και την μεταφορά ενέργειας.

Αύξηση της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και ακτινοβολίας από τη γραμμή μετάδοσης, η οποία μπορεί να επηρεάσει κοντινά συστήματα και κύκλους.

Επομένως, είναι επιθυμητό να μειωθεί το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης όσο το δυνατόν περισσότερο. Μερικές από τις μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση του φαινομένου skin effect είναι:

Χρήση διαχωριστών με υψηλότερη συγκεκριμένη ηλεκτρική διαχωριστικότητα και χαμηλότερη μεταβατικότητα, όπως το χάλυβα ή το αργυρό, αντί για σίδηρο ή χάλυβα.