Hudoefekto en Transdonlinioj
Difinio de la Skinefekto
La skinefekto en transdonlinioj estas la fenomeno, kie la AC-kuro koncentriĝas proksime al la surfaco de la kondukilo, kio pligrandigas ĝian efektivan rezistancon.
La skinefekto estas difinita kiel la tendenco de AC-kuro distribui neuniforme tra la sekcio de kondukilo, tiel ke la kuromalplenaĵo estas plej alta proksime al la surfaco de la kondukilo kaj malpligrandiĝas eksponente direkte al la kerno. Tio signifas, ke la interna parto de la kondukilo portas malpli da kuromalplenaĵo ol la ekstera parto, rezultigante pli grandan efektivan reziston de la kondukilo.
La skinefekto malgrandigas la disponeblan sekcion por kuromalplenaĵo, pligrandigante energioperdojn kaj konduktilan varmon. Ĝi ŝanĝas la impedanceton de la transdonlinio, afektante la distribuon de voltado kaj kuro. Tiu efekto intensiĝas kun pli altaj frekvencoj, pli grandaj diametroj de kondukiloj kaj pli malaltaj konduktivecoj.
La skinefekto ne okazas en rekta kuromalplenaĵo (DC) sistemoj, ĉar la kuro flugas uniforme tra la tuta sekcio de la kondukilo. Tamen, en AC-sistemoj, aparte tiuj operantaj je altaj frekvencoj, kiel radio kaj mikroonda sistemoj, la skinefekto povas havi signifajn efektojn sur la dizajnon kaj analizon de transdonlinioj kaj aliaj komponantoj.
Kialoj de la Skinefekto
La skinefekto estas kaŭzita de la interago de la magnetkampo generita de la AC-kuromalplenaĵo kun la kondukilo mem. Kiel montrite en la suba figuro, kiam AC-kuromalplenaĵo fluas tra cilindra kondukilo, ĝi kreis magnetkampon ĉirkaŭ kaj ene de la kondukilo. La direkto kaj grandeco de tiu magnetkampo ŝanĝiĝas laŭ la frekvenco kaj amplitudo de la AC-kuromalplenaĵo.
Laŭ Faradeja leĝo de elektromagnetika indukto, ŝanĝanta magnetkampo induktas elektrkampon en kondukilo. Tiu elektrkampo, en turnaĵo, induktas kontraŭan kuron en la kondukilo, nomitan eddy-kuro. La eddy-kuroj cirkulas ene de la kondukilo kaj kontraŭstaras la originalan AC-kuromalplenaĵon.
La eddy-kuroj estas pli fortes proksime al la kerno de la kondukilo, kie ili havas pli da magnet-flux-ligo kun la originala AC-kuromalplenaĵo. Tial, ili kreis pli altan kontraŭan elektrkampon kaj malpligrandigas la netan kuromalplenaĵodensigon en la kerno. Aliflanke, proksime al la surfaco de la kondukilo, kie estas malpli da magnet-flux-ligo kun la originala AC-kuromalplenaĵo, estas pli malfortaj eddy-kuroj kaj pli malalta kontraŭa elektrkampo. Tial, estas pli alta neta kuromalplenaĵodensigo proksime al la surfaco.
Tiu fenomeno rezultigas neuniforman distribuon de kuromalplenaĵo tra la sekcio de la kondukilo, kun pli da kuromalplenaĵo fluanta proksime al la surfaco ol proksime al la kerno. Tio estas konata kiel la skinefekto en transdonlinioj.
Kvantifikado de la Skinefekto
La skinefekton eblas kvantifikadi per skinprofundo aŭ δ (delta), kiu estas la profundo sub la surfaco de kondukilo, kie la kuromalplenaĵodensigo falas al proksimume 37% de sia valoro ĉe la surfaco. Pli malgranda skinprofundo indikas pli severan skinefekton.
La skinprofundo dependas de pluraj faktoroj, kiel:
La frekvenco de la AC-kuromalplenaĵo: Pli alta frekvenco signifas pli rapidajn ŝanĝojn en la magnetkampo kaj pli fortes eddy-kurojn. Tial, la skinprofundo malgrandiĝas kiam la frekvenco pligrandiĝas.
La konduktiveco de la kondukilo: Pli alta konduktiveco signifas pli malaltan reziston kaj pli facilecan fluon de eddy-kuroj. Tial, la skinprofundo malgrandiĝas kiam la konduktiveco pligrandiĝas.
La permeableco de la kondukilo: Pli alta permeableco signifas pli da magnet-flux-ligo kaj pli fortes eddy-kurojn. Tial, la skinprofundo malgrandiĝas kiam la permeableco pligrandiĝas.
La formo de la kondukilo: Diferentaj formoj havas malsamajn geometriajn faktorojn, kiuj afektas la distribuon de la magnetkampo kaj eddy-kurojn. Tial, la skinprofundo varias kun malsamaj formoj de kondukiloj.
La formulo por kalkuli la skinprofundon por cilindra kondukilo kun rondforma sekcio estas:
δ estas la skinprofundo (en metroj)
ω estas la angula frekvenco de la AC-kuromalplenaĵo (en radianoj per sekundo)
μ estas la permeableco de la kondukilo (en henrioj per metro)
σ estas la konduktiveco de la kondukilo (en siemensoj per metro)
Ekzemple, por kupra kondukilo kun rondforma sekcio, operanta je 10 MHz, la skinprofundo estas:
Tio signifas, ke nur mallara strato de 0,066 mm proksime al la surfaco de la kondukilo portas la plejparton de la kuromalplenaĵo ĉe tiu frekvenco.
Malpligrandigo de la Skinefekto
La skinefekto povas kaŭzi plurajn problemojn en transdonlinioj, kiel:
Pligrandigas energioperdojn kaj varmon de la kondukilo, kio malpligrandigas la efikecon kaj fidindecon de la sistemo.
Pligrandigas la impedanceton kaj voltadomalon de la transdonlinio, kio afektas la signalokvaliton kaj energidistribuon.
Pligrandigas elektromagnetikan interferon kaj radiadon de la transdonlinio, kio povas afekti najbarajn aparatojn kaj cirkvitojn.
Tial, estas dezirinde malpligrandigi la skinefekton en transdonlinioj tiom kiel eble. Iuj el la metodoj, kiujn oni povas uzi por malpligrandigi la skinefekton, estas:
Uzo de kondukiloj kun pli alta konduktiveco kaj malpli alta permeableco, kiel kupro aŭ argento, anstataŭ ferro aŭ akero.
Uzo de kondukiloj kun pli malgrandaj diametroj aŭ sekcioj reduktas la diferencon inter la surfaca kaj kernoda kuromalplenaĵodensigo.
Uzo de filitaj aŭ tranĉitaj kondukiloj anstataŭ solidaj kondukiloj pligrandigas la efektivan surfacareon de la kondukilo kaj malpligrandigas la eddy-kurojn. Speciala tipo de filita kondukilo, nomita litz-filo, estas disegnita por minimumigi la skinefekton, twistante la filojn tiel, ke ĉiu filo okupas malsamajn poziciojn en la sekcio tra sia longo.
Uzo de malplena aŭ tuba kondukilo anstataŭ solida kondukilo malpligrandigas la pezon kaj koston de la kondukilo sen grave afektanti ĝian performon. La malplena parto de la kondukilo ne portas multe da kuromalplenaĵo pro la skinefekto, do ĝi povas esti forigita sen afekti la kuromalplenaĵofluon.
Uzo de pluraj paralelaj kondukiloj anstataŭ unu sola kondukilo pligrandigas la efektivan sekcian areon de la kondukilo kaj malpligrandigas ĝian reziston. Tiu metodo estas ankaŭ konata kiel bindado aŭ transpozicio.
Malpligrandigo de la frekvenco de la AC-kuromalplenaĵo pligrandigas la skinprofundon kaj malpligrandigas la skinefekton. Tamen, tio povas ne esti realigebla por iuj aplikoj, kiuj postulas altfrekvencajn signalojn.
Konkludo
La skinefekto estas fenomeno, kiu okazas en transdonlinioj, kiam AC-kuromalplenaĵo fluas tra kondukilo. Ĝi kaŭzas neuniforman distribuon de kuromalplenaĵo tra la sekcio de la kondukilo, kun pli da kuromalplenaĵo fluanta proksime al la surfaco ol proksime al la kerno. Tio pligrandigas la efektivan reziston kaj impedanceton de la kondukilo kaj malpligrandigas ĝian efikecon kaj performon.
La skinefekto dependas de pluraj faktoroj, kiel la frekvenco, konduktiveco, permeableco kaj formo de la kondukilo. Ĝi povas esti kvantifikita per parametro nomita skinprofundo, kiu estas la profundo sub la surfaco, kie la kuromalplenaĵodensigo falas al 37% de ĝia valoro ĉe la surfaco.
La skinefekton eblas malpligrandigi per diversaj metodoj, kiel uzado de kondukiloj kun pli alta konduktiveco kaj malpli alta permeableco, pli malgranda diametro aŭ sekcio, filita aŭ tranĉita strukturo, malplena aŭ tuba formo, pluraj paralelaj aranĝoj, aŭ pli malalta frekvenco.
La skinefekto estas grava koncepto en elektra inĝenierado, kiu afektas la dizajnon kaj analizon de transdonlinioj kaj aliaj komponantoj, kiuj uzas AC-kuromalplenaĵojn. Ĝi devus esti prenita en konsideron dum elektado de la taŭgaj tipoj kaj ampleksoj de kondukiloj por malsamaj aplikoj kaj frekvencoj.
