Lõhnaefekt transmissioonijooned

Nähtuse määratlemine

Voolujoonte nähtus on fenomen, kus võrkuv vool konsentriveerub juhtri pinnakäriste lähedale, suurendades selle efektiivset vastust.

Nähtus määratletakse võrkuvate voolude ebavõrdseks jaotumiseks juhtri ristlõike kaudu nii, et voolusuurus on kõrgeim juhtri pinna lähedal ja eksponentsiaalselt väheneb südamesse. See tähendab, et juhtri sisemine osa kannab vähem voolu kui välisosa, mis tulemuseks on juhtri efektiivse vastuse suurenemine.

Nähtus vähendab voolu liikumiseks saadaolevat ristlõike, suurendades võimu kaotusi ja juhtri soojenemist. See muudab voolujoonte impedantsi, mõjutades pinget ja voolu jaotust. See mõju tugevneb kõrgematel sagedustel, suuremate juhtri läbimõõtudega ja madalamal juhtriteguriga.

Nähtus ei toimu tasavoolul (DC) süsteemides, kuna vool liigub ühtlaselt kogu juhtri ristlõigu kaudu. Kuid võrkuvates süsteemides, eriti neis, mis töötavad kõrgetel sagedustel nagu raadio- ja mikrokiirgussüsteemid, võib nähtus olla oluline mõju voolujoontega ja teiste komponentide disainile ja analüüsile.

Nähtuse põhjused

Nähtus on tingitud võrkuvate voolude poolt tekitatava magnetväli interaktsioonist juhtri endaga. Juhri tsilindrilise kuju korral, kui võrkuv vool voolab juhtri kaudu, tekitab see juhri ümber ja sisespool magnetväli. Selle magnetväli suund ja suurus muutuvad võrkuvate voolude sageduse ja amplituudi järgi.

Faraday'i elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt tekitab muutuv magnetväli juhtris elektriväli. See elektriväli omakorda induktseerib vastastikku voolu, mida nimetatakse eddy currentiks. Eddy currentid ringlevad juhtri sees ja vastanduvad algsele võrkuvale voolule.

Eddy currentid on tugevamad juhtri südames, kus neil on rohkem magnetfluktilinkit algse võrkuvaga vooluga. Seetõttu loovad need tugevama vastastikku elektriväli ja vähendavad netto voolusuurust südames. Teisalt, juhri pinna lähedal, kus on vähem magnetfluktilinkit algse võrkuvaga vooluga, on nõrgemad eddy currentid ja nõrgem vastastikku elektriväli. Seetõttu on pinna lähedal kõrgem netto voolusuurus.

See fenomen tulemuseks on juhtri ristlõigus voolu ebavõrdne jaotumine, kus pinna lähedal voolab rohkem voolu kui südames. Seda nimetatakse voolujoonte nähtuseks.

Nähtuse kvantifitseerimine

Nähtust saab kvantifitseerida nahkpuhveri sügavuse või δ (delta) abil, mis on juhtri pinnast alla sügavus, kus voolusuurus langab umbes 37% oma pinnaväärtusest. Väiksem nahkpuhver tähistab tugevamat nähtust.

Nahkpuhver sõltub mitmest tegurist, näiteks:

Võrkuvate voolude sagedus: Kõrgem sagedus tähendab kiiremaid muutusi magnetvälis ja tugevamaid eddy currente. Seega väheneb nahkpuhver sageduse kasvu korral.

Juhtri juhtritegur: Kõrgem juhtritegur tähendab madalamat vastust ja lihtsamat eddy currente voolu. Seega väheneb nahkpuhver juhtriteguri kasvu korral.

Juhtri permeabilitet: Kõrgem permeabilitet tähendab rohkem magnetfluktilinkit ja tugevamaid eddy currente. Seega väheneb nahkpuhver permeabiliteti kasvu korral.

Juhtri kuju: Erinevad kujuil on erinevad geomeetrilised tegurid, mis mõjutavad magnetväli jaotust ja eddy currente. Seega muutub nahkpuhver erinevate juhtri kujuide korral.

Tsüililise juhtri nahkpuhveri arvutamise valem koos ringliku ristlõiguga on:

δ on nahkpuhver (meetrites)

ω on võrkuvate voolude nurkline sagedus (raadiande secondites)

μ on juhtri permeabilitet (henry per meetri)

σ on juhtri juhtritegur (siemens per meetri)

Näiteks bronzi juhtril ringliku ristlõiguga, töötades 10 MHz-s, on nahkpuhver:

See tähendab, et vaid 0,066 mm paksune kiht juhtri pinna lähedal kannab enamiku voolu sellel sagedusel.

Nähtuse vähendamine

Nähtus võib põhjustada mitmeid probleeme voolujoontes, näiteks:

• Suuremad võimu kaotused ja juhtri soojenemine, mis vähendab süsteemi efektiivsust ja usaldusväärsust.

• Suurem impedants ja pingevalvenemine voolujoontes, mis mõjutab signaali kvaliteeti ja võimu edastamist.

• Suurem elektromagnetiline segamine ja kiirgus voolujoontest, mis võivad mõjutada läheduses asuvaid seadeid ja tsirkuite.

Seega on soovitatav vähendada nähtust voolujoontes võimalikult palju. Mõned meetodid, mida saab kasutada nähtuse vähendamiseks, on:

• Kasutada juhtrid, mis on kõrgema juhtriteguriga ja madalam permeabilitetiga, näiteks vask või hõbeda, selle asemel, et kasutada raut või teras.

• Kasutada väiksemad läbimõõduga või ristlõikuga juhtrid, mis vähendavad erinevust pinna ja südame voolusuuruste vahel.

• Kasutada sidrunit või kaelatud juhtrid, selle asemel, et kasutada terviklikke juhtrid, mis suurendab juhtri efektiivset pindala ja vähendab eddy currente. Eri tüüp sidrunit, mida nimetatakse litz-taruks, on disainitud selliselt, et sidrunid on keeratud nii, et iga sidrun asub erinevas asukohas ristlõigus tema pikkuse jooksul.

• Kasutada tühi või tuvi juhtrid, selle asemel, et kasutada terviklikke juhtrid, mis vähendab juhtri kaalu ja maksumust ilma, et see mõjutaks tema jõudlust oluliselt. Tühi osa juhtrist ei kannata palju voolu nähtuse tõttu, seega saab see eemaldada ilma, et see mõjutaks voolu liikumist.

• Kasutada mitme paralleelset juhtrit, selle asemel, et kasutada ühte juhtrit, mis suurendab juhtri efektiivset ristlõikut ja vähendab selle vastust. See meetod on ka teada kui bundling või transpositsioon.

• Vähendada võrkuvate voolude sagedust, mis suurendab nahkpuhvert ja vähendab nähtust. Siiski võib see olla praktiliselt ebatõenäoline mõnede rakenduste jaoks, mis nõuavad kõrget sagedust.

Lõppkokkuvõte

Nähtus on fenomen, mis esineb voolujoontes, kui võrkuv vool voolab juhtri kaudu. See põhjustab ebavõrdset voolu jaotumist juhtri ristlõigus, kus pinna lähedal voolab rohkem voolu kui südames. See suurendab juhtri efektiivset vastust ja impedantsi ning vähendab selle efektiivsust ja jõudlust.

Nähtus sõltub mitmest tegurist, näiteks sagedusest, juhtritegurist, permeabilitetist ja juhtri kujust. Seda saab kvantifitseerida parameetri nahkpuhver abil, mis on sügavus, kus voolusuurus langab 37% oma pinnaväärtusest.

Nähtust saab vähendada erinevate meetodite abil, näiteks kasutades juhtrid, mis on kõrgema juhtriteguriga ja madalam permeabilitetiga, väiksemad läbimõõduga või ristlõikuga, sidrunit või kaelatud struktuuriga, tühi või tuvi kuju, mitme paralleelse paigutuse või madalam sagedusega.

Nähtus on oluline mõiste elektritehnikas, mis mõjutab voolujoonte ja teiste komponentide, mis kasutavad võrkuvaid voolu, disaini ja analüüsi. Selle tuleks arvesse võtta valides sobiva tüübi ja suuruse juhtrid erinevate rakenduste ja sageduste jaoks.