Efekt kože u prijenosnim linijama

Definicija efekta kože

Efekt kože u prijenosnim vodovima je pojava u kojoj strujni naponi AC koncentriraju se blizu površine vodiča, povećavajući njegovu efektivnu otpornost.

Efekt kože definira se kao tendencija struje AC da se nejednoliko raspodijeli preko presjeka vodiča, tako da je gustoća struje najveća blizu površine kože vodiča i eksponencijalno smanjuje prema središtu. To znači da unutarnji dio vodiča nosi manju struju od vanjskog dijela, što rezultira povećanom efektivnom otpornosti vodiča.

Efekt kože smanjuje dostupnu površinu presjeka za protok struje, povećavajući gubitke snage i zagrijavanje vodiča. On mijenja impedanciju prijenosnih vodova, utječe na raspodjelu napona i struje. Ovaj efekt intenzivira se s višim frekvencijama, većim promjerima vodiča i nižom provodljivošću.

Efekt kože ne nastupa u sustavima DC, jer struja ravnomjerno teče kroz cijeli presjek vodiča. Međutim, u sustavima AC, posebno onima koji operiraju na visokim frekvencijama poput radio i mikrovalnih sustava, efekt kože može imati značajan utjecaj na dizajn i analizu prijenosnih vodova i drugih komponenti.

Uzroci efekta kože

Efekt kože uzrokuje interakcija magnetskog polja generiranog strujom AC s samim vodičem. Kao što je prikazano na slici ispod, kada struja AC teče kroz cilindrični vodič, stvara se magnetsko polje oko i unutar vodiča. Smjer i magnituda toga magnetskog polja mijenja se prema frekvenciji i amplitudama struje AC.

Prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, mijenjajuće magnetsko polje inducira električno polje u vodiču. Taj električni tok, na svoju stranu, inducira nasuprotnu struju u vodiču, tzv. cirkulacionu struju. Cirkulacijske struje cirkuliraju unutar vodiča i suprotstavljaju originalnoj struji AC.

Cirkulacijske struje su jači blizu središta vodiča, gdje imaju više magnetskih vezâ s originalnom strujom AC. Stoga, stvaraju veće nasuprotno električno polje i smanjuju neto gustoću struje u središtu. S druge strane, blizu površine vodiča, gdje ima manje magnetskih vezâ s originalnom strujom AC, cirkulacijske struje su slabije i nasuprotno električno polje je manje. Stoga, neto gustoća struje je veća na površini.

Ova pojava rezultira nejednolikom distribucijom struje preko presjeka vodiča, s većom strujom koja teče blizu površine nego blizu središta. To je poznato kao efekt kože u prijenosnim vodovima.

Kvantifikacija Efekta Kože

Efekt kože može se kvantificirati koristeći dubinu kože ili δ (delta), koja je dubina ispod površine vodiča gdje gustoća struje pada do oko 37% njene vrijednosti na površini. Manja dubina kože ukazuje na ozbiljniji efekt kože.

Dubina kože ovisi o nekoliko faktora, kao što su:

Frekvencija struje AC: Viša frekvencija znači brže promjene u magnetskom polju i jače cirkulacijske struje. Stoga, dubina kože smanjuje se kako frekvencija raste.

Provodljivost vodiča: Viša provodljivost znači nižu otpornost i lakši protok cirkulacijskih struja. Stoga, dubina kože smanjuje se kako provodljivost raste.

Permeabilnost vodiča: Viša permeabilnost znači više magnetskih vezâ i jače cirkulacijske struje. Stoga, dubina kože smanjuje se kako permeabilnost raste.

Oblik vodiča: Različiti oblici imaju različite geometrijske faktore koji utječu na raspodjelu magnetskog polja i cirkulacijskih struja. Stoga, dubina kože varira s različitim oblicima vodiča.

Formula za izračunavanje dubine kože za cilindrični vodič s kružnim presjekom glasi:

δ je dubina kože (u metrima)

ω je kutna frekvencija struje AC (u radijanima po sekundi)

μ je permeabilnost vodiča (u henrijevima po metru)

σ je provodljivost vodiča (u siemensima po metru)

Na primjer, za bakreni vodič s kružnim presjekom, koji operira na 10 MHz, dubina kože je:

To znači da samo tanki sloj od 0,066 mm blizu površine vodiča nosi većinu struje na toj frekvenciji.

Smanjenje Efekta Kože

Efekti kože mogu uzrokovati nekoliko problema u prijenosnim vodovima, kao što su:

• Povećani gubitci snage i zagrijavanje vodiča, što smanjuje učinkovitost i pouzdanost sustava.

• Povećana impedanca i pad napona prijenosnog voda, što utječe na kvalitet signala i dostavu snage.

• Povećana elektromagnetska interferencija i zračenje prijenosnog voda, što može utjecati na okolne uređaje i šemotehnike.

Stoga je poželjno smanjiti efekt kože u prijenosnim vodovima koliko je moguće više. Neke od metoda koje se mogu koristiti za smanjenje efekata kože su:

• Korištenje vodiča s višom provodljivošću i nižom permeabilnošću, poput bakra ili srebra, umjesto željeza ili čelika.

• Korištenje vodiča s manjim promjerom ili površinom presjeka smanjuje razliku između gustoće struje na površini i u središtu.

• Korištenje stražnjih ili plešnutih vodiča umjesto čvrstih vodiča povećava efektivnu površinu vodiča i smanjuje cirkulacijske struje. Posebna vrsta stražnjeg vodiča, poznat kao litz žica, dizajnirana je da minimizira efekt kože savijanjem strana na način da svaki stran zauzima različite pozicije u presjeku duž duljine.

• Korištenje praznih ili cevastih vodiča umjesto čvrstih vodiča smanjuje težinu i trošak vodiča bez značajnog utjecaja na njegovu performansu. Prazni dio vodiča ne nosi mnogo struje zbog efekta kože, pa ga može se ukloniti bez utjecaja na protok struje.

• Korištenje više paralelnih vodiča umjesto jednog vodiča povećava efektivnu površinu presjeka vodiča i smanjuje njegovu otpornost. Ova metoda također je poznata kao grupiranje ili transpozicija.

• Smanjenje frekvencije struje AC povećava dubinu kože i smanjuje efekt kože. Međutim, to može biti nepraktično za neke aplikacije koje zahtijevaju visokofrekventne signale.

Zaključak

Efekt kože jest pojava koja se javlja u prijenosnim vodovima kada struja AC teče kroz vodič. Ona uzrokuje nejednoliku distribuciju struje preko presjeka vodiča, s većom strujom koja teče blizu površine nego blizu središta. To povećava efektivnu otpornost i impedanciju vodiča i smanjuje njegovu učinkovitost i performansu.

Efekt kože ovisi o nekoliko faktora, poput frekvencije, provodljivosti, permeabilnosti i oblika vodiča. Može se kvantificirati parametrom poznatim kao dubina kože, koja je dubina ispod površine gdje gustoća struje pada na 37% njene vrijednosti na površini.

Efekt kože može se smanjiti korištenjem različitih metoda, poput korištenja vodiča s višom provodljivošću i nižom permeabilnošću, manjim promjerom ili površinom presjeka, stražnjom ili plešnutom strukturom, praznim ili cevastim oblikom, više paralelnih rasporeda ili nižom frekvencijom.

Efekt kože jest važan koncept u elektrotehnici koji utječe na dizajn i analizu prijenosnih vodova i drugih komponenti koje koriste struje AC. Treba ga uzeti u obzir prilikom odabira odgovarajućeg tipa i veličine vodiča za različite aplikacije i frekvencije.