ದಂಡನೆ ರೇಖೆಗಳಲ್ಲಿರುವ ತ್ವಚಾ ಪ್ರಭಾವ
स्किन प्रभाव वर्णन
ट्रांसमिशन लाइनों में स्किन प्रभाव एक घटना है जहाँ AC करंट चालक के सतह के पास संकेंद्रित होता है, जिससे इसकी प्रभावी प्रतिरोध बढ़ जाता है।
स्किन प्रभाव को एक AC करंट की चालक के अनुप्रस्थ-खंड पर असमान वितरण के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिसमें करंट घनत्व चालक के सतह के पास सबसे अधिक होता है और आंतरिक भाग की ओर घातांकीय रूप से घटता है। इसका अर्थ है कि चालक का आंतरिक भाग बाहरी भाग की तुलना में कम करंट ले जाता है, जिससे चालक का प्रभावी प्रतिरोध बढ़ जाता है।
स्किन प्रभाव उपलब्ध अनुप्रस्थ-खंड को कम कर देता है, जिससे करंट प्रवाह के लिए ऊर्जा नुकसान और चालक की गर्मी बढ़ जाती है। यह ट्रांसमिशन लाइन की प्रतिबाधा को बदल देता है, जिससे वोल्टेज और करंट वितरण प्रभावित होता है। यह प्रभाव उच्च आवृत्तियों, बड़े चालक व्यास, और कम चालकता के साथ बढ़ता है।
स्किन प्रभाव DC (Direct Current) प्रणालियों में नहीं होता, क्योंकि करंट चालक के अनुप्रस्थ-खंड में समान रूप से प्रवाहित होता है। हालांकि, AC प्रणालियों, विशेष रूप से उच्च आवृत्तियों पर काम करने वाली रेडियो और माइक्रोवेव प्रणालियों में, स्किन प्रभाव ट्रांसमिशन लाइनों और अन्य घटकों के डिजाइन और विश्लेषण पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकता है।
स्किन प्रभाव के कारण
स्किन प्रभाव AC करंट द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र और चालक के बीच की प्रतिक्रिया से होता है। नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है, जब एक AC करंट एक बेलनाकार चालक के माध्यम से प्रवाहित होता है, तो यह चालक के चारों ओर और भीतर एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। यह चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और मात्रा AC करंट की आवृत्ति और आयाम के अनुसार बदलती है।
फैराडे के विद्युत चुंबकीय प्रेरण के नियम के अनुसार, एक बदलता चुंबकीय क्षेत्र एक चालक में एक विद्युत क्षेत्र प्रेरित करता है। इस विद्युत क्षेत्र द्वारा, चालक में एक विरोधी करंट, जिसे विद्युत चक्रीय करंट कहा जाता है, प्रेरित होता है। ये विद्युत चक्रीय करंट चालक के भीतर घूमते हैं और मूल AC करंट का विरोध करते हैं।
विद्युत चक्रीय करंट चालक के केंद्र के पास अधिक मजबूत होते हैं, जहाँ वे मूल AC करंट के साथ अधिक चुंबकीय प्रवाह लिंकेज होते हैं। इसलिए, वे एक उच्च विरोधी विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करते हैं और केंद्र पर नेट करंट घनत्व को कम कर देते हैं। दूसरी ओर, चालक के सतह के पास, जहाँ मूल AC करंट के साथ कम चुंबकीय प्रवाह लिंकेज होता है, वहाँ विद्युत चक्रीय करंट अधिक कमजोर होते हैं और विरोधी विद्युत क्षेत्र भी कम होता है। इसलिए, सतह पर नेट करंट घनत्व अधिक होता है।
इस घटना के परिणामस्वरूप चालक के अनुप्रस्थ-खंड पर करंट का असमान वितरण होता है, जिसमें सतह के पास अधिक करंट और केंद्र के पास कम करंट प्रवाहित होता है। यह ट्रांसमिशन लाइनों में स्किन प्रभाव के रूप में जाना जाता है।
स्किन प्रभाव की मात्रा
स्किन प्रभाव को स्किन गहराई या δ (डेल्टा) का उपयोग करके मात्रा में व्यक्त किया जा सकता है, जो चालक के सतह के नीचे एक गहराई होती है जहाँ करंट घनत्व इसके सतह मान का लगभग 37% गिर जाता है। छोटी स्किन गहराई एक अधिक गंभीर स्किन प्रभाव को दर्शाती है।
स्किन गहराई कई कारकों पर निर्भर करती है, जैसे:
AC करंट की आवृत्ति: उच्च आवृत्ति का अर्थ है चुंबकीय क्षेत्र में तेजी से बदलाव और मजबूत विद्युत चक्रीय करंट। इसलिए, आवृत्ति बढ़ने के साथ स्किन गहराई घटती है।
चालक की चालकता: उच्च चालकता का अर्थ है कम प्रतिरोध और विद्युत चक्रीय करंट का आसान प्रवाह। इसलिए, चालकता बढ़ने के साथ स्किन गहराई घटती है।
चालक की प्रवाहीता: उच्च प्रवाहीता का अर्थ है अधिक चुंबकीय प्रवाह लिंकेज और मजबूत विद्युत चक्रीय करंट। इसलिए, प्रवाहीता बढ़ने के साथ स्किन गहराई घटती है।
चालक का आकार: विभिन्न आकारों में विभिन्न ज्यामितीय कारक होते हैं जो चुंबकीय क्षेत्र वितरण और विद्युत चक्रीय करंट पर प्रभाव डालते हैं। इसलिए, चालकों के विभिन्न आकारों के साथ स्किन गहराई भिन्न होती है।
गोलाकार अनुप्रस्थ-खंड वाले बेलनाकार चालक के लिए स्किन गहराई की गणना करने का सूत्र है:
δ स्किन गहराई है (मीटर में)
ω AC करंट की कोणीय आवृत्ति है (रेडियन प्रति सेकंड में)
μ चालक की प्रवाहीता है (हेनरी प्रति मीटर में)
σ चालक की चालकता है (सिमेन्स प्रति मीटर में)
उदाहरण के लिए, एक गोलाकार अनुप्रस्थ-खंड वाले तांबे के चालक के लिए, 10 MHz पर काम करते हुए, स्किन गहराई है:
यह अर्थ है कि केवल चालक के सतह के पास 0.066 mm की एक पतली परत इस आवृत्ति पर अधिकांश करंट ले जाती है।
स्किन प्रभाव का कम करना
स्किन प्रभाव ट्रांसमिशन लाइनों में कई समस्याएं उत्पन्न कर सकते हैं, जैसे:
करंट के नुकसान और चालक की गर्मी बढ़ जाती है, जिससे प्रणाली की दक्षता और विश्वसनीयता कम हो जाती है।
ट्रांसमिशन लाइन की प्रतिबाधा और वोल्टेज गिरावट बढ़ जाती है, जिससे सिग्नल की गुणवत्ता और ऊर्जा वितरण प्रभावित होता है।
ट्रांसमिशन लाइन से विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप और विकिरण बढ़ जाता है, जो आस-पास के उपकरणों और सर्किटों को प्रभावित कर सकता है।
इसलिए, ट्रांसमिशन लाइनों में स्किन प्रभाव को जितना संभव हो उतना कम करना वांछनीय है। स्किन प्रभाव को कम करने के कुछ तरीके निम्नलिखित हैं:
लोहे या स्टील के बजाय उच्च चालकता और कम प्रवाहीता वाले चालक, जैसे तांबा या चांदी, का उपयोग करना।
छोटे व्यास या अनुप्रस्थ-खंड वाले चालक का उपयोग करना सतह और केंद्र के करंट घनत्व के बीच के अंतर को कम करता है।
ठोस चालक के बजाय फाड़े या ब्रेड किए गए चालक का उपयोग करना चालक के प्रभावी सतह क्षेत्र को बढ़ाता है और विद्युत चक्रीय करंट को कम करता है। एक विशेष प्रकार का फाड़ा चालक, जिसे लिट्ज वायर कहा जाता है, स्किन प्रभाव को न्यूनतम करने के लिए डिजाइन किया गया है, जिसमें फाड़ों को इस तरह ट्विस्ट किया जाता है कि प्रत्येक फाड़ा अपने अनुप्रस्थ-खंड में अलग-अलग स्थितियों को अपनाता है।
ठोस चालक के बजाय खोखले या ट्यूबुलर चालक का उपयोग करना चालक का वजन और लागत को कम करता है बिना इसके प्रदर्शन को बहुत प्रभावित किए। चालक का खोखला भाग स्किन प्रभाव के कारण बहुत कम करंट ले जाता है, इसलिए इसे हटा दिया जा सकता है बिना करंट प्रवाह को प्रभावित किए।
एक एकल चालक के बजाय एकाधिक समानांतर चालक का उपयोग करना चालक के प्रभावी अनुप्रस्थ-खंड को बढ़ाता है और इसका प्रतिरोध कम करता है। इस तरीके को बंडलिंग या ट्रांसपोजिशन भी कहा जाता है।
