Ефект на кожата во преносните линии

Дефиниција на ефектот на површината

Ефектот на површината во преносните линии е феноменот кога AC струјата се концентрира близу до површината на проводникот, што го зголемува неговата ефективна отпорност.

Ефектот на површината е дефиниран како тенденцијата на AC струјата да се распределува нееднакво над пресечената површина на проводникот, така што густината на струјата е највисока близу до површината на проводникот и се намалува експоненцијално кон центарот. Тоа значи дека внатрешниот дел на проводникот носи помала струја од надворешниот дел, што резултира со зголемена ефективна отпорност на проводникот.

Ефектот на површината намалува достапната пресечна површина за текот на струјата, што ги зголемува губитоците на моќ и загревувањето на проводникот. Тој го менува импедансот на преносната линија, влијајќи на дистрибуцијата на напон и струја. Овој ефект се интензификува со поголеми фреквенции, поголеми дијаметри на проводниците и пониски проводливости.

Ефектот на површината не се јавува во системите со директна струја (DC), бидејќи струјата текува едноравномерно низ целата пресечна површина на проводникот. Меѓетим, во AC системите, особено оние кои работат на поголеми фреквенции како радио и микроволнови системи, ефектот на површината може да има значителни влијанија врз дизајнот и анализата на преносните линии и други компоненти.

Причини на ефектот на површината

Ефектот на површината е предизвикан од интеракцијата на магнетното поле генерирано од AC струјата со самiot проводник. Како што е прикажано на сликата подолу, кога AC струјата текува низ цилиндричен проводник, создава магнетно поле околу и внатре во проводникот. Смерта и големината на ова магнетно поле се менуваат според фреквенцијата и амплитудата на AC струјата.

Според Фарадеевиот закон за електромагнетна индукција, променливото магнетно поле индуцира електричко поле во проводникот. Овој електричен поле, во свој ред, индуцира противопоставена струја во проводникот, наречена вихречка струја. Вихречките струи циркулираат во рамките на проводникот и се противопоставуваат на оригиналната AC струја.

Вихречките струи се појаки близу до центарот на проводникот, каде што имаат повеќе магнетна флукс-веза со оригиналената AC струја. Затоа, тие создаваат поејако противопоставено електрично поле и намалуваат нетната густина на струјата во центарот. Од друга страна, близу до површината на проводникот, каде што има помалку магнетна флукс-веза со оригиналената AC струја, има слаби вихречки струи и слабо противопоставено електрично поле. Затоа, има поејака нетна густина на струјата на површината.

Овој феномен резултира со нееднакво распределение на струјата над пресечената површина на проводникот, со повеќе струја што текува близу до површината одколку близу до центарот. Ова е познато како ефект на површината во преносните линии.

Квантифицирање на ефектот на површината

Ефектот на површината може да се квантифицира користејќи го параметарот длабочина на кожа или δ (делта), кој е длабочината под површината на проводникот каде што густината на струјата паднува до околу 37% од нејзината површинска вредност. Помала длабочина на кожа указува на посериозен ефект на површината.

Длабочината на кожа зависи од неколку фактори, како:

Фреквенцијата на AC струјата: Повисоката фреквенција значи побрзите промени во магнетното поле и појаки вихречки струи. Затоа, длабочината на кожа се намалува со зголемување на фреквенцијата.

Проводливоста на проводникот: Повисоката проводливост значи пониска отпорност и лесен тек на вихречки струи. Затоа, длабочината на кожа се намалува со зголемување на проводливоста.

Пермеабилитетот на проводникот: Повисокиот пермеабилитет значи повеќе магнетна флукс-веза и појаки вихречки струи. Затоа, длабочината на кожа се намалува со зголемување на пермеабилитетот.

Формата на проводникот: Различните форми имаат различни геометриски фактори што влијаат на дистрибуцијата на магнетното поле и вихречките струи. Затоа, длабочината на кожа варира со различни форми на проводници.

Формулата за пресметување на длабочината на кожа за цилиндричен проводник со кругова пресечна површина е:

δ е длабочината на кожа (во метри)

ω е аголната фреквенција на AC струјата (во радијански секунди)

μ е пермеабилитетот на проводникот (во хенрији на метар)

σ е проводливоста на проводникот (во сијанси на метар)

На пример, за меден проводник со кругова пресечна површина, кој работи на 10 МГц, длабочината на кожа е:

Ова значи дека само тенки слој од 0,066 мм близу до површината на проводникот носи најголемиот дел од струјата на оваа фреквенција.

Намалување на ефектот на површината

Ефектот на површината може да предизвика неколку проблеми во преносните линии, како:

• Зголемени губитоци на моќ и загревување на проводникот, што ги намалува ефикасноста и надежноста на системот.

• Зголемен импеданс и паѓање на напонот на преносната линија, што влијае на квалитетот на сигналот и доставата на моќ.

• Зголемена електромагнетна интерференција и радијација од преносната линија, што може да влијае на блиските уреди и кола.

Затоа, е желателно да се намали ефектот на површината во преносните линии колку што е можно. Некои од методите кои можат да се користат за намалување на ефектот на површината се:

• Користење на проводници со повисока проводливост и понисок пермеабилитет, како медиум или сребро, наместо желе или челик.

• Користење на проводници со помали дијаметри или пресечни површини намалува разликата помеѓу густината на струјата на површината и во центарот.

• Користење на страндирања или плетени проводници наместо тверди проводници зголемува ефективната површина на проводникот и намалува вихречките струи. Посебен тип на страндирања на проводници наречен litz wire е дизајниран да минимизира ефектот на површината, со тоа што јазичките се вртат на начин да секој јазичек заема различни позиции во пресечената површина над неговата должина.

• Користење на празни или цилиндрични проводници наместо тверди проводници намалува тежината и цената на проводникот без значајно влијание врз неговата функционалност. Празниот дел на проводникот не носи многу струја поради ефектот на површината, затоа може да се извлече без да се влијае на текот на струјата.

• Користење на повеќе паралелни проводници наместо еден единствен проводник зголемува ефективната пресечна површина на проводникот и намалува неговата отпорност. Овој метод исто така е познат како bundling или transposition.

• Намалување на фреквенцијата на AC струјата зголемува длабочината на кожа и намалува ефектот на површината. Меѓетим, ова може да не биде феасибилно за некои применувања кои бараат сигнали со висока фреквенција.

Заклучок

Ефектот на површината е феномен што се јавува во преносните линии кога AC струјата текува низ проводник. Тие предизвикаат нееднакво распределение на струјата над пресечената површина на проводникот, со повеќе струја што текува близу до површината одколку близу до центарот. Ова зголемува ефективната отпорност и импедансот на проводникот и намалува неговата ефикасност и перформанса.

Ефектот на површината зависи од неколку фактори, како фреквенцијата, проводливоста, пермеабилитетот и формата на проводникот. Тој може да се квантифицира користејќи го параметарот длабочина на кожа, кој е длабочината под површината каде што густината на струјата паднува до 37% од нејзината вредност на површината.

Ефектот на површината може да се намали користејќи ги различните методи, како користење на проводници со повисока проводливост и понисок пермеабилитет, помали дијаметри или пресечни површини, страндирања или плетени структури, празни или цилиндрични форми, повеќе паралелни аранжмани, или пониска фреквенција.

Ефектот на површината е важен концепт во електротехниката што влијае на дизајнот и анализата на преносните линии и други компоненти кои користат AC струји. Треба да се земе предвид кога се бираат одговарачките тип и големина на проводници за различни применувања и фреквенции.