پوستی اثر در خطوط انتقال
تعریف اثر پوسته‌ای
اثر پوسته‌ای در خطوط انتقال، پدیده‌ای است که در آن جریان متناوب در نزدیکی سطح هادی تمرکز می‌یابد و مقاومت موثر آن را افزایش می‌دهد.
اثر پوسته‌ای به تمایل یک جریان متناوب برای توزیع نامساوی در مقطع عرضی یک هادی گفته می‌شود، به گونه‌ای که چگالی جریان در نزدیکی سطح پوسته هادی بالاترین مقدار را دارد و به طور نمایی به سمت مرکز کاهش می‌یابد. این بدان معناست که بخش داخلی هادی جریان کمتری را منتقل می‌کند نسبت به بخش خارجی، که منجر به افزایش مقاومت موثر هادی می‌شود.
اثر پوسته‌ای مساحت مقطع عرضی قابل دسترس برای جریان را کاهش می‌دهد، باعث افزایش تلفات انرژی و گرم شدن هادی می‌شود. این اثر امپدانس خط انتقال را تغییر می‌دهد و تأثیراتی بر توزیع ولتاژ و جریان دارد. این اثر با فرکانس‌های بالاتر، قطرهای بزرگتر هادی و رسانایی پایین‌تر شدت می‌یابد.
اثر پوسته‌ای در سیستم‌های جریان مستقیم (DC) رخ نمی‌دهد، زیرا جریان به صورت یکنواخت در تمام مقطع عرضی هادی جریان می‌یابد. اما در سیستم‌های جریان متناوب، به ویژه آنهایی که در فرکانس‌های بالا مانند سیستم‌های رادیویی و میکروویو عمل می‌کنند، اثر پوسته‌ای می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر طراحی و تحلیل خطوط انتقال و سایر مؤلفه‌ها داشته باشد.
علل اثر پوسته‌ای
اثر پوسته‌ای ناشی از تعامل میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان متناوب با هادی است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، وقتی یک جریان متناوب از یک هادی استوانه‌ای عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی در اطراف و درون هادی ایجاد می‌شود. جهت و مقدار این میدان مغناطیسی بر اساس فرکانس و دامنه جریان متناوب تغییر می‌کند.
بر اساس قانون فارادی القای الکترومغناطیسی، یک میدان مغناطیسی متغیر یک میدان الکتریکی در یک هادی القاء می‌کند. این میدان الکتریکی، به نوبه خود یک جریان مخالف در هادی القاء می‌کند که به آن جریان گردابه‌ای گفته می‌شود. جریان‌های گردابه‌ای درون هادی چرخیده و با جریان متناوب اصلی مخالفت می‌کنند.
جریان‌های گردابه‌ای در نزدیکی مرکز هادی قوی‌تر هستند، زیرا در آنجا با میدان مغناطیسی اصلی جریان متناوب ارتباط بیشتری دارند. بنابراین، آنها یک میدان الکتریکی مخالف قوی‌تری ایجاد می‌کنند و چگالی جریان خالص را در مرکز کاهش می‌دهند. از طرف دیگر، در نزدیکی سطح هادی، که ارتباط مغناطیسی کمتری با جریان متناوب اصلی دارد، جریان‌های گردابه‌ای ضعیف‌تر و میدان الکتریکی مخالف کمتری وجود دارد. بنابراین، چگالی جریان خالص در سطح بیشتر است.
این پدیده منجر به توزیع نامساوی جریان در مقطع عرضی هادی می‌شود، به گونه‌ای که جریان بیشتر در نزدیکی سطح نسبت به مرکز جریان می‌یابد. این اثر به آن اثر پوسته‌ای در خطوط انتقال گفته می‌شود.
کمیت اثر پوسته‌ای
اثر پوسته‌ای می‌تواند با استفاده از عمق پوسته یا δ (دلتا) کمی شود، که عمقی است که در زیر سطح هادی چگالی جریان به حدود ۳۷٪ مقدار سطحی آن کاهش می‌یابد. عمق پوسته کوچکتر نشان‌دهنده اثر پوسته‌ای شدیدتر است.
عمق پوسته به چندین عامل بستگی دارد، از جمله:
فرکانس جریان متناوب: فرکانس بالاتر به معنای تغییرات سریع‌تر در میدان مغناطیسی و جریان‌های گردابه‌ای قوی‌تر است. بنابراین، عمق پوسته با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد.
رسانایی هادی: رسانایی بالاتر به معنای مقاومت کمتر و جریان آسان‌تر جریان‌های گردابه‌ای است. بنابراین، عمق پوسته با افزایش رسانایی کاهش می‌یابد.
نفوذپذیری هادی: نفوذپذیری بالاتر به معنای ارتباط مغناطیسی بیشتر و جریان‌های گردابه‌ای قوی‌تر است. بنابراین، عمق پوسته با افزایش نفوذپذیری کاهش می‌یابد.
شکل هادی: شکل‌های مختلف عوامل هندسی متفاوتی دارند که تأثیراتی بر توزیع میدان مغناطیسی و جریان‌های گردابه‌ای دارند. بنابراین، عمق پوسته با شکل‌های مختلف هادی متفاوت است.
فرمول محاسبه عمق پوسته برای یک هادی استوانه‌ای با مقطع دایره‌ای به صورت زیر است:
δ عمق پوسته (در متر)
ω فرکانس زاویه‌ای جریان متناوب (در رادیان بر ثانیه)
μ نفوذپذیری هادی (در هنری بر متر)
σ رسانایی هادی (در سیمنس بر متر)
به عنوان مثال، برای یک هادی مس با مقطع دایره‌ای که در ۱۰ مگاهرتز کار می‌کند، عمق پوسته به صورت زیر است:
این به این معناست که فقط لایه نازک ۰.۰۶۶ میلی‌متری در نزدیکی سطح هادی بیشترین جریان را در این فرکانس منتقل می‌کند.
کاهش اثر پوسته‌ای
اثر پوسته‌ای می‌تواند چندین مشکل در خطوط انتقال ایجاد کند، از جمله:
افزایش تلفات انرژی و گرم شدن هادی، که باعث کاهش کارایی و قابلیت اطمینان سیستم می‌شود.
افزایش امپدانس و کاهش ولتاژ خط انتقال، که بر کیفیت سیگنال و تحویل توان تأثیر می‌گذارد.
افزایش تداخل الکترومغناطیسی و تشعشع از خط انتقال، که می‌تواند بر دستگاه‌ها و مدارهای نزدیک تأثیر بگذارد.
بنابراین، مطلوب است که اثر پوسته‌ای در خطوط انتقال به حداکثر ممکن کاهش یابد. برخی از روش‌هایی که می‌توان برای کاهش اثر پوسته‌ای استفاده کرد عبارتند از:
استفاده از هادی‌های با رسانایی بالاتر و نفوذپذیری پایین‌تر، مانند مس یا نقره، به جای آهن یا فولاد.
استفاده از هادی‌های با قطر یا مساحت مقطع عرضی کوچکتر، که تفاوت بین چگالی جریان در سطح و مرکز را کاهش می‌دهد.
استفاده از هادی‌های چند‌تار یا پلیتن به جای هادی‌های جامد، مساحت سطح موثر هادی را افزایش می‌دهد و جریان‌های گردابه‌ای را کاهش می‌دهد. نوع خاصی از هادی چند‌تار به نام سیم لیتز طراحی شده است که با پیچاندن تارها به گونه‌ای که هر تار در طول خود موقعیت‌های مختلفی در مقطع عرضی داشته باشد، اثر پوسته‌ای را به حداقل می‌رساند.
استفاده از هادی‌های توخالی یا لوله‌ای به جای هادی‌های جامد، وزن و هزینه هادی را کاهش می‌دهد بدون اینکه عملکرد آن به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار گیرد. بخش توخالی هادی به دلیل اثر پوسته‌ای جریان زیادی را منتقل نمی‌کند، بنابراین می‌توان آن را بدون تأثیر بر جریان حذف کرد.
استفاده از چندین هادی موازی به جای یک هادی واحد، مساحت مقطع عرضی موثر هادی را افزایش می‌دهد و مقاومت آن را کاهش می‌دهد. این روش همچنین با نام بسته‌بندی یا جابجایی شناخته می‌شود.
کاهش فرکانس جریان متناوب عمق پوسته را افزایش می‌دهد و اثر پوسته‌ای را کاهش می‌دهد. اما این در برخی کاربردهایی که نیاز به سیگنال‌های با فرکانس بالا دارند، ممکن است عملی نباشد.
نتیجه‌گیری
اثر پوسته‌ای پدیده‌ای است که در خطوط انتقال وقتی یک جریان متناوب از یک هادی عبور می‌کند رخ می‌دهد. این اثر توزیع نامساوی جریان در مقطع عرضی هادی را ایجاد می‌کند، به گونه‌ای که جریان بیشتر در نزدیکی سطح نسبت به مرکز جریان می‌یابد. این امر مقاومت و امپدانس موثر هادی را افزایش می‌دهد و کارایی و عملکرد آن را کاهش می‌دهد.
اثر پوسته‌ای به چندین عامل بستگی دارد، از جمله فرکانس، رسانایی، نفوذپذیری و شکل هادی. این اثر می‌تواند با استفاده از پارامتری به نام عمق پوسته کمی شود، که عمقی است که در زیر سطح چگالی جریان به ۳۷٪ مقدار آن در سطح کاهش می‌یابد.
اثر پوسته‌ای می‌تواند با استفاده از روش‌های مختلفی کاهش یابد، از جمله استفاده از هادی‌های با رسانایی بالاتر و نفوذپذیری پایین‌تر، قطر یا مساحت مقطع عرضی کوچکتر، ساختار چند‌تار یا پلیتن، شکل توخالی یا لوله‌ای، ترتیب موازی چندگانه یا فرکانس پایین‌تر.
اثر پوسته‌ای مفهوم مهمی در مهندسی برق است که بر طراحی و تحلیل خطوط انتقال و سایر مؤلفه‌هایی که از جریان‌های متناوب استفاده می‌کنند تأثیر می‌گذارد. این اثر باید در انتخاب نوع و اندازه مناسب هادی‌ها برای کاربردهای مختلف و فرکانس‌های مختلف در نظر گرفته شود.
