Efek Kulit pada Jalur Transmisi

Encyclopedia

Bidang: Ensiklopedia

China

Efek Kulit Didefinisikan

Efek kulit pada garis transmisi adalah fenomena di mana arus AC berkonsentrasi dekat permukaan konduktor, meningkatkan hambatan efektifnya.

Efek kulit didefinisikan sebagai kecenderungan arus AC untuk mendistribusikan diri secara tidak merata di sepanjang penampang konduktor, sehingga kepadatan arus tertinggi dekat permukaan kulit konduktor dan menurun secara eksponensial menuju inti. Ini berarti bahwa bagian dalam konduktor membawa arus yang lebih sedikit dibandingkan dengan bagian luar, mengakibatkan peningkatan hambatan efektif konduktor.

Efek kulit mengurangi area penampang yang tersedia untuk aliran arus, meningkatkan kerugian daya dan pemanasan konduktor. Efek ini mengubah impedansi garis transmisi, mempengaruhi distribusi tegangan dan arus. Efek ini semakin intensif dengan frekuensi yang lebih tinggi, diameter konduktor yang lebih besar, dan konduktivitas yang lebih rendah.

Efek kulit tidak terjadi pada sistem arus searah (DC), karena arus mengalir secara merata di seluruh penampang konduktor. Namun, pada sistem AC, terutama yang beroperasi pada frekuensi tinggi seperti sistem radio dan microwave, efek kulit dapat memiliki dampak signifikan pada desain dan analisis garis transmisi dan komponen lainnya.

Penyebab Efek Kulit

Efek kulit disebabkan oleh interaksi medan magnet yang dihasilkan oleh arus AC dengan konduktor itu sendiri. Seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah, ketika arus AC mengalir melalui konduktor silinder, ia menciptakan medan magnet di sekitar dan di dalam konduktor. Arah dan magnitudo medan magnet ini berubah sesuai dengan frekuensi dan amplitudo arus AC.

Menurut hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik, perubahan medan magnet menginduksi medan listrik di konduktor. Medan listrik ini, pada gilirannya, menginduksi arus yang berlawanan di konduktor, yang disebut arus eddy. Arus eddy beredar di dalam konduktor dan menentang arus AC asli.

Arus eddy lebih kuat dekat inti konduktor, di mana mereka memiliki lebih banyak tautan fluks magnet dengan arus AC asli. Oleh karena itu, mereka menciptakan medan listrik yang lebih tinggi dan mengurangi kepadatan arus bersih di inti. Di sisi lain, dekat permukaan konduktor, di mana ada sedikit tautan fluks magnet dengan arus AC asli, arus eddy lebih lemah dan medan listrik yang berlawanan lebih rendah. Oleh karena itu, ada kepadatan arus bersih yang lebih tinggi di permukaan.

Fenomena ini menghasilkan distribusi arus yang tidak merata di sepanjang penampang konduktor, dengan lebih banyak arus mengalir dekat permukaan daripada dekat inti. Ini dikenal sebagai efek kulit pada garis transmisi.

Kuantifikasi Efek Kulit

Efek kulit dapat dikuantifikasi menggunakan kedalaman kulit atau δ (delta), yaitu kedalaman di bawah permukaan konduktor di mana kepadatan arus turun menjadi sekitar 37% dari nilai permukaannya. Kedalaman kulit yang lebih kecil menunjukkan efek kulit yang lebih parah.

Kedalaman kulit bergantung pada beberapa faktor, seperti:

Frekuensi arus AC: Frekuensi yang lebih tinggi berarti perubahan yang lebih cepat dalam medan magnet dan arus eddy yang lebih kuat. Oleh karena itu, kedalaman kulit menurun seiring bertambahnya frekuensi.

Konduktivitas konduktor: Konduktivitas yang lebih tinggi berarti hambatan yang lebih rendah dan aliran arus eddy yang lebih mudah. Oleh karena itu, kedalaman kulit menurun seiring bertambahnya konduktivitas.

Permeabilitas konduktor: Permeabilitas yang lebih tinggi berarti lebih banyak tautan fluks magnet dan arus eddy yang lebih kuat. Oleh karena itu, kedalaman kulit menurun seiring bertambahnya permeabilitas.

Bentuk konduktor: Bentuk yang berbeda memiliki faktor geometris yang berbeda yang mempengaruhi distribusi medan magnet dan arus eddy. Oleh karena itu, kedalaman kulit bervariasi dengan bentuk konduktor yang berbeda.

Rumus untuk menghitung kedalaman kulit untuk konduktor silinder dengan penampang bulat adalah:

δ adalah kedalaman kulit (dalam meter)

ω adalah frekuensi sudut arus AC (dalam radian per detik)

μ adalah permeabilitas konduktor (dalam henry per meter)

σ adalah konduktivitas konduktor (dalam siemens per meter)

Sebagai contoh, untuk konduktor tembaga dengan penampang bulat, beroperasi pada 10 MHz, kedalaman kulit adalah:

Ini berarti hanya lapisan tipis 0,066 mm dekat permukaan konduktor yang membawa sebagian besar arus pada frekuensi tersebut.

Pengurangan Efek Kulit

Efek kulit dapat menyebabkan beberapa masalah pada garis transmisi, seperti:

Kerugian daya yang meningkat dan pemanasan konduktor, yang mengurangi efisiensi dan keandalan sistem.

Impedansi dan penurunan tegangan garis transmisi yang meningkat, yang mempengaruhi kualitas sinyal dan pengiriman daya.

Interferensi elektromagnetik dan radiasi yang meningkat dari garis transmisi, yang dapat mempengaruhi perangkat dan sirkuit di sekitarnya.

Oleh karena itu, sangat diinginkan untuk mengurangi efek kulit pada garis transmisi sebanyak mungkin. Beberapa metode yang dapat digunakan untuk mengurangi efek kulit adalah:

Menggunakan konduktor dengan konduktivitas yang lebih tinggi dan permeabilitas yang lebih rendah, seperti tembaga atau perak, bukan besi atau baja.

Menggunakan konduktor dengan diameter atau area penampang yang lebih kecil mengurangi perbedaan antara kepadatan arus di permukaan dan inti.

Menggunakan konduktor berstruktur stranded atau braided daripada konduktor padat meningkatkan area permukaan efektif konduktor dan mengurangi arus eddy. Jenis khusus konduktor stranded yang disebut kawat litz dirancang untuk meminimalkan efek kulit dengan memutar strande dalam cara yang setiap strande menduduki posisi yang berbeda di penampang sepanjang panjangnya.

Menggunakan konduktor berongga atau tabular daripada konduktor padat mengurangi berat dan biaya konduktor tanpa mempengaruhi kinerjanya secara signifikan. Bagian berongga dari konduktor tidak membawa banyak arus karena efek kulit, jadi dapat dihilangkan tanpa mempengaruhi aliran arus.

Menggunakan beberapa konduktor paralel daripada satu konduktor tunggal meningkatkan area penampang efektif konduktor dan mengurangi hambatannya. Metode ini juga dikenal sebagai bundling atau transposisi.

Mengurangi frekuensi arus AC meningkatkan kedalaman kulit dan mengurangi efek kulit. Namun, ini mungkin tidak layak untuk beberapa aplikasi yang membutuhkan sinyal frekuensi tinggi.

Kesimpulan

Efek kulit adalah fenomena yang terjadi pada garis transmisi ketika arus AC mengalir melalui konduktor. Fenomena ini menyebabkan distribusi arus yang tidak merata di sepanjang penampang konduktor, dengan lebih banyak arus mengalir dekat permukaan daripada dekat inti. Hal ini meningkatkan hambatan dan impedansi efektif konduktor dan mengurangi efisiensi dan kinerjanya.

Efek kulit bergantung pada beberapa faktor, seperti frekuensi, konduktivitas, permeabilitas, dan bentuk konduktor. Efek ini dapat dikuantifikasi dengan menggunakan parameter yang disebut kedalaman kulit, yaitu kedalaman di bawah permukaan di mana kepadatan arus turun menjadi 37% dari nilainya di permukaan.

Efek kulit dapat dikurangi dengan menggunakan berbagai metode, seperti menggunakan konduktor dengan konduktivitas yang lebih tinggi dan permeabilitas yang lebih rendah, diameter atau area penampang yang lebih kecil, struktur stranded atau braided, bentuk berongga atau tabular, susunan paralel yang multiple, atau frekuensi yang lebih rendah.

Efek kulit adalah konsep penting dalam teknik elektro yang mempengaruhi desain dan analisis garis transmisi dan komponen lainnya yang menggunakan arus AC. Efek ini harus dipertimbangkan saat memilih jenis dan ukuran konduktor yang tepat untuk aplikasi dan frekuensi yang berbeda.