אפקט העור בשורות תמסורת

הגדרת אפקט העור

אפקט העור בקווים של העברה הוא התופעה שבה זרם חילופין מתרכז ליד פני השטח של המוליך, מה שגורם להגדלת ההתנגדות האפקטיבית שלו.

אפקט העור מוגדר כהטייה של זרם חילופין להתפזר באופן לא אחיד על פני החתך של מוליך, כך שהצפיפות של הזרם היא גבוהה ביותר ליד פני השטח של המוליך ומשתנה בצורה מעריכית לעבר הליבה. זה אומר שהחלק הפנימי של המוליך נושא פחות זרם מהחלק החיצוני, מה שמוביל להגדלת ההתנגדות האפקטיבית של המוליך.

אפקט העור מפחית את השטח החתכי הזמין לזרימת זרם, מגביר את ההפסדים בכוח והתחממות המוליך. הוא משנה את התנגדות הקו של ההעברה, משפיע על התפלגות הנתח והזרם. האפקט מתגבר עם תדרים גבוהים יותר, קוטר מוליך גדול יותר ומנת dẫnות נמוכה יותר.

אפקט העור אינו מתרחש במערכות זרם ישר (DC), כי הזרם זורם באופן אחיד לאורך כל החתך של המוליך. עם זאת, במערכות זרם חילופין, במיוחד אלה המופעלות בתדרים גבוהים כמו מערכות רדיו ומיקרוגל, אפקט העור יכול להשפיע באופן משמעותי על תכנון ואנליזה של קווי העברה ורכיבים אחרים.

סיבות לאפקט העור

אפקט העור נגרם מהאינטרקציה בין השדה המגנטי שנוצר על ידי זרם חילופין עם המוליך עצמו. כפי שמוצג בתמונה להלן, כאשר זרם חילופין זורם דרך מוליך צינורי, הוא יוצר שדה מגנטי סביב ובתוך המוליך. הכיוון והגודל של השדה המגנטי משתנים בהתאם לתדר והאמפליטודה של זרם החילופין.

לפי חוק פראדיי של האינדוקציה אלקטרומגנטית, שינוי בשדה מגנטי מเหนץ שדה חשמלי במוליך. השדה החשמלי הזה, בתורו, מเหนץ זרם מנוגד במוליך, שנקרא זרם סיבובי. זרמים סיבוביים מתפתלים בתוך המוליך ונוגדים את זרם החילופין המקורי.

הזרמים הסיבוביים הם חזקים יותר ליד הליבה של המוליך, שם יש להם יותר קשר מגנטי עם זרם החילופין המקורי. לכן, הם יוצרים שדה חשמלי מנוגד גבוה יותר ומחזירים צפיפות זרם נטו נמוכה יותר בליבה. לעומתם, ליד פני השטח של המוליך, שם יש פחות קשר מגנטי עם זרם החילופין המקורי, ישנם זרמים סיבוביים חלשים יותר ושדה חשמלי מנוגד נמוך יותר. לכן, יש צפיפות זרם נטו גבוהה יותר על פני השטח.

התופעה הזו גורמת להתפזרות לא אחידה של הזרם על פני החתך של המוליך, עם יותר זרם זורם ליד פני השטח מאשר ליד הליבה. זהו מה שמכונה אפקט העור בקוי העברה.

מדידת אפקט העור

אפקט העור ניתן למדידה באמצעות עומק העור או δ (דלתא), שהוא העומק מתחת לפני השטח של המוליך שבו הצפיפות של הזרם יורדת לכ-37% מהערך על פני השטח. עומק עור קטן יותר מצביע על אפקט עור חזק יותר.

עומק העור תלוי במספר גורמים, כגון:

תדר הזרם החילופי: תדר גבוה יותר פירושו שינויים מהירים יותר בשדה המגנטי וזרמים סיבוביים חזקים יותר. לכן, עומק העור יורד ככל שהתדר עולה.

מנת הדחיסות של המוליך: מנת דחיסות גבוהה יותר פירושה התנגדות נמוכה יותר וזרימה קלה יותר של זרמים סיבוביים. לכן, עומק העור יורד ככל שמנת הדחיסות עולה.

הנשאות המגנטית של המוליך: נשאות מגנטית גבוהה יותר פירושה קשר מגנטי רב יותר וזרמים סיבוביים חזקים יותר. לכן, עומק העור יורד ככל שהנשאות המגנטית עולה.

צורת המוליך: צורות שונות יש להן גורמים גיאומטריים שונים המשפיעים על הפצת השדה המגנטי וזרמי הסיבוב. לכן, עומק העור משתנה עם צורות שונות של מוליכים.

הנוסחה לחישוב עומק העור עבור מוליך צינורי בעל חתך מעגלי היא:

δ הוא עומק העור (במטרים)

ω הוא התדירות הזוויתית של זרם החילופין (ברדיאנים לשנייה)

μ היא הנשאות המגנטית של המוליך (בהנרי למטר)

σ היא מנת הדחיסות של המוליך (בסימנס למטר)

לדוגמה, עבור מוליך נחושת בצורת צינור מעגלי, המופעל בתדר של 10 מגה-הרץ, עומק העור הוא:

זה אומר שכמה שכבה דקה של 0.066 מ"מ ליד פני השטח של המוליך נושאת את רוב הזרם בתדר זה.

הקטנת אפקט העור

אפקט העור יכול לגרום למספר בעיות בקוי העברה, כגון:

• הפסדים גדולים יותר בכוח והתחממות של המוליך, מה שמפחית אתעילות והאמינות של המערכת.

• תנגדות גבוהה יותר וירידה בנתח בקו ההעברה, מה שמשפיע על איכות הסיגנל והספק.

• הפרעות אלקטרומגנטיות וקרינה מוגברות מקו ההעברה, שיכולות להשפיע על מכשירים ומעגלים בסביבה הקרובה.

לכן, желательно уменьшить эффект кожи в линиях передачи по возможности. Некоторые методы, которые можно использовать для уменьшения эффекта кожи, включают:

• שימוש במוליכים בעלי מנת דחיסות גבוהה יותר ונשאות מגנטית נמוכה יותר, כגון נחושת או כסף, במקום ברזל או פלדה.

• שימוש במוליכים בעלי קוטר או שטח חתך קטנים יותר מפחית את ההבדל בין צפיפויות הזרם על פני השטח וליד הליבה.

• שימוש במוליכים מרובים או מצועפים במקום מוליכים מלאים מגדיל את השטח הפנוי של המוליך ומפחית את זרמי הסיבוב. סוג מיוחד של מוליך מרובים בשם ליץ' וייר מיועד להפחית את אפקט העור על ידי ערבוב הגפיים בצורה שתאפשר לכל גף להיות במקומות שונים בחתך לאורך אורכו.

• שימוש במוליכים חלולים או צינוריים במקום מוליכים מלאים מפחית את המשקל והעלות של המוליך מבלי להשפיע משמעותית על הביצועים. החלק הריק של המוליך אינו נושא הרבה זרם בגלל אפקט העור, ולכן ניתן להסיר אותו מבלי להשפיע על זרימת הזרם.

• שימוש במספר מוליכים מקבילים במקום מוליך אחד מגדיל את השטח החתכי האפקטיבי של המוליך ומפחית את ההתנגדות שלו. שיטה זו ידועה גם בשם צרוף או החלפה.

• הקטנת התדר של זרם החילופין מגבירה את עומק העור ומפחיתה את אפקט העור. עם זאת, זה עשוי לא להיות אפשרי עבור חלק מהיישומים שדורשים אותות בתדר גבוה.

מסקנות

אפקט העור הוא תופעה שמתרחשת בקוי העברה כאשר זרם חילופין זורם דרך מוליך. הוא גורם להתפזרות לא אחידה של הזרם על פני החתך של המוליך, עם יותר זרם זורם ליד פני השטח מאשר ליד הליבה. זה מגביר את ההתנגדות והתנגדות של המוליך ומפחית אתעילות והביצועים שלו.

אפקט העור תלוי במספר גורמים, כגון התדר, מנת הדחיסות, הנשאות המגנטית וצורת המוליך. הוא ניתן למדידה באמצעות פרמטר שנקרא עומק העור, שהוא העומק מתחת לפני השטח שבו הצפיפות של הזרם יורדת לכ-37% מהערך על פני השטח.

אפקט העור ניתן להפחית באמצעות שימוש בשיטות שונות, כגון שימוש במוליכים בעלי מנת דחיסות גבוהה יותר ונשאות מגנטית נמוכה יותר, קוטר או שטח חתך קטנים יותר, מבנה מרוב או מצועף, צורה חלולה או צינורית, מסודרים מקבילים או תדר נמוך יותר.

אפקט העור הוא מושג חשוב בהנדסת חשמל שמשפיע על תכנון ואנליזה של קוי העברה ורכיבים אחרים המשתמשים בזרמים חילופיים. הוא צריך להיחשב בבחירת הטיפוס והגודל המתאימים של מוליכים ליישומים ותדרים שונים.