Kuorivaikutus siirtolinjoissa

Ihmeetehoste määritelty

Ihmeetehoste siirtolinjoissa on ilmiö, jossa vaihtovirta keskittyy johtimen pinnan lähelle, mikä lisää sen tehokasta vastusta.

Ihmeetehoste määritellään vaihtovirran epätasaiseksi jakautumiseksi johtimen poikkileikkauksen yli siten, että virratiheyys on suurin johtimen pinnan lähellä ja vähenee eksponentiaalisesti kohti ytimen. Tämä tarkoittaa, että johtimen sisäosa kuljettaa vähemmän virtaa kuin ulkiosa, mikä johtaa johtimen tehokkaan vastuksen kasvuun.

Ihmeetehoste pienentää käytettävissä olevaa poikkileikkausala virran virtausreitille, mikä lisää tehojen häviöitä ja johtimen lämpenemistä. Se muuttaa siirtolinjan impedanssia, vaikuttaen jännite- ja virranjakautumiseen. Tämä vaikutus voimistuu korkeammilla taajuksilla, suuremmilla johtimen halkaisijoin ja alhaisemman johtavuuden kanssa.

Ihmeetehoste ei tapahdu suoravirtajärjestelmissä (DC), koska virta virtaa tasaisesti koko johtimen poikkileikkauksen yli. Kuitenkin vaihtovirtajärjestelmissä, erityisesti niissä, jotka toimivat korkeilla taajuksilla, kuten radiota ja mikroaaltojärjestelmät, ihmeetehoste voi vaikuttaa merkittävästi siirtolinjojen ja muiden komponenttien suunnitteluun ja analyysiin.

Ihmeetehoksen syyt

Ihmeetehoste johtuu vaihtovirran luomasta magneettikentän ja johtimen itsensä välisen vuorovaikutuksen seurauksena. Alla olevan kuvion mukaan, kun vaihtovirta virtaa sylinterimäisessä johtimessa, se luo magneettikentän johtimen ympärille ja sisälle. Magneettikentän suunta ja suuruus muuttuvat vaihtovirran taajuuden ja amplitudin mukaan.

Faradayn induktiolain mukaan muuttuva magneettikenttä indusoija sähkökenttä johtimeen. Tämä sähkökenttä puolestaan indusoija vastustava virta johtimeen, jota kutsutaan kierronvirtaksi. Kierronvirrat pyörivät johtimen sisällä ja vastustavat alkuperäistä vaihtovirtaa.

Kierronvirrat ovat vahvimpia johtimen ytimen lähellä, missä ne ovat enemmän magneettifluksin sidoksissa alkuperäiseen vaihtovirtaan. Siksi ne luovat suuremman vastustavan sähkökentän ja vähentävät nettonettivirratiheyttä ytimessä. Toisaalta, johtimen pinnan lähellä, missä on vähemmän magneettifluksin sidoksissa alkuperäiseen vaihtovirtaan, kierronvirrat ovat heikompia ja vastustava sähkökenttä on vähäisempi. Siksi pinnalla on suurempi nettonettivirratiheys.

Tämä ilmiö johtaa virran epätasaiseen jakautumiseen johtimen poikkileikkauksen yli, jossa enemmän virtaa virtaa pinnan lähellä kuin ytimen lähellä. Tätä kutsutaan ihmeetehokseksi siirtolinjoissa.

Ihmeetehoksen kvantifiointi

Ihmeetehosta voidaan mitata ihmeetävyys tai δ (delta), joka on syvyys johtimen pinnan alta, jossa virratiheys laskee noin 37% arvostaan pinnalla. Pienempi ihmeetävyys osoittaa vakavamman ihmeetehoksen.

Ihmeetävyys riippuu useista tekijöistä, kuten:

Vaihtovirran taajuus: Korkeampi taajuus tarkoittaa nopeampia muutoksia magneettikentässä ja vahvempia kierronvirtoja. Siksi ihmeetävyys vähenee, kun taajuus kasvaa.

Johtimen johtavuus: Korkeampi johtavuus tarkoittaa alhaisempaa vastusta ja helpompaa kierronvirtausten virtausta. Siksi ihmeetävyys vähenee, kun johtavuus kasvaa.

Johtimen permeavuus: Korkeampi permeavuus tarkoittaa enemmän magneettifluksin sidoksissa ja vahvempia kierronvirtoja. Siksi ihmeetävyys vähenee, kun permeavuus kasvaa.

Johtimen muoto: Eri muodot vaikuttavat magneettikentän jakautumiseen ja kierronvirtoihin geometrisilla tekijöillä. Siksi ihmeetävyys vaihtelee eri muotoisten johtimien kanssa.

Kaava ympyräpohjaisen sylinterimäisen johtimen ihmeetävyyden laskemiseksi on:

δ on ihmeetävyys (metreissä)

ω on vaihtovirran kulmafrekvenssi (radiaaneina sekunnissa)

μ on johtimen permeavuus (henryä metriä kohden)

σ on johtimen johtavuus (siemenä metriä kohden)

Esimerkiksi kuparijohtimella, jolla on ympyräpohjainen poikkileikkaus, toimittaessa 10 MHz:ssä, ihmeetävyys on:

Tämä tarkoittaa, että vain ohut kerros 0,066 mm pinnan lähellä johtimessa kuljettaa suurimman osan virrasta tässä taajuudessa.

Ihmeetehoksen vähentäminen

Ihmeetehoste voi aiheuttaa useita ongelmia siirtolinjoissa, kuten:

• Teiden häviöt ja johtimen lämpeneminen, mikä vähentää järjestelmän tehokkuutta ja luotettavuutta.

• Siirtolinjan impedanssin ja jännitelaskun kasvu, mikä vaikuttaa signaalin laatuun ja tehon toimitukseen.

• Siirtolinjan sähkömagneettisen häiriön ja säteilyn kasvu, mikä voi vaikuttaa lähellä oleviin laitteisiin ja piireihin.

Siksi on toivottavaa vähentää ihmeetehostoa siirtolinjoissa mahdollisimman paljon. Joitakin menetelmiä, joita voidaan käyttää ihmeetehoksen vähentämiseen, ovat:

• Käyttää johtimia, joilla on korkeampi johtavuus ja alhaisempi permeavuus, kuten kupari tai hopea, sen sijaan, että käytettäisiin rauta- tai teräsjohtimia.

• Käyttää johtimia, joilla on pienempi halkaisija tai poikkileikkauksen ala, vähentää eroa pinnan ja ytimen virratiheyksien välillä.

• Käyttää soiduja tai hampaiden johtimia yhtenäisten johtimien sijaan lisää johtimen tehokasta pinta-alaa ja vähentää kierronvirtoja. Erityislaatuinen soidejohtin, nimeltään litz-söidestä, on suunniteltu ihmeetehoksen minimointiin soiden kääntämällä tavalla, jossa jokainen soide sijaitsee eri paikoissa poikkileikkauksessa pituudeltaan.

• Käyttää tyhjiä tai putkipohjaisia johtimia yhtenäisten johtimien sijaan vähentää johtimen painoa ja hintaa ilman, että sen suorituskykyä vaaditaan huomattavasti. Johtimen tyhjä osa ei kuljeta paljon virtaa ihmeetehoksen vuoksi, joten sitä voidaan poistaa ilman, että vaikuttaa virran virtaukseen.

• Käyttää useita yhdensuuntaisia johtimia yhden johtimen sijaan lisää johtimen tehokasta poikkileikkauksen alaa ja vähentää sen vastusta. Tätä menetelmää kutsutaan myös yhdistelyksi tai transposioksi.

• Vähentää vaihtovirran taajuutta lisää ihmeetävyyttä ja vähentää ihmeetehostoa. Kuitenkin tämä saattaa olla toteutettavissa joillekin sovelluksille, jotka vaativat korkeataajuisten signaalien käyttöä.

Yhteenveto

Ihmeetehoste on ilmiö, joka tapahtuu siirtolinjoissa, kun vaihtovirta virtaa johtimen kautta. Se aiheuttaa epätasaisen virran jakautumisen johtimen poikkileikkauksen yli, jossa enemmän virtaa virtaa pinnan lähellä kuin ytimen lähellä. Tämä lisää johtimen tehokasta vastusta ja impedanssia ja vähentää sen tehokkuutta ja suorituskykyä.

Ihmeetehoste riippuu useista tekijöistä, kuten taajuudesta, johtavuudesta, permeavuudesta ja johtimen muodosta. Sitä voidaan kvantifioida käyttämällä parametria, jota kutsutaan ihmeetävyydeksi, joka on syvyys pinnan alta, jossa virratiheys laskee 37%:iin arvostaan pinnalla.

Ihmeetehostoa voidaan vähentää käyttämällä erilaisia menetelmiä, kuten johtimia, joilla on korkeampi johtavuus ja alhaisempi permeavuus, pienempi halkaisija tai poikkileikkauksen ala, soidettu tai hampaiten rakenne, tyhjä tai putkipohjainen muoto, useat yhdensuuntaiset järjestelyt tai alhaisempi taajuus.

Ihmeetehoste on tärkeä käsite sähkötekniikassa, joka vaikuttaa siirtolinjojen ja muiden komponenttien, jotka käyttävät vaihtovirtaa, suunnitteluun ja analyysiin. Siihen tulisi ottaa huomioon valittaessa sopivia johtimien tyyppiä ja kokoa eri sovelluksiin ja taajuuksiin.