Kesan Kulit dalam Garis Penghantaran

Encyclopedia

Medan: Ensiklopedia

China

Skin Effect Didefinisikan

Efek kulit dalam 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 bagian dalam konduktor membawa arus yang lebih sedikit daripada bagian luar, menghasilkan 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 intens dengan frekuensi yang lebih tinggi, diameter konduktor yang lebih besar, dan konduktivitas yang lebih rendah.

Efek kulit tidak terjadi dalam sistem arus searah (DC), karena arus mengalir secara merata di seluruh penampang konduktor. Namun, dalam sistem AC, terutama yang beroperasi pada frekuensi tinggi seperti sistem radio dan mikro gelombang, 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 yang ditunjukkan dalam gambar di bawah, ketika arus AC mengalir melalui konduktor silindris, 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 dalam konduktor. Medan listrik ini, pada gilirannya, menginduksi arus yang berlawanan dalam konduktor, yang disebut arus eddy. Arus eddy beredar di dalam konduktor dan berlawanan dengan arus AC asli.

Arus eddy lebih kuat dekat inti konduktor, di mana mereka memiliki tautan fluks magnetik yang lebih banyak dengan arus AC asli. Oleh karena itu, mereka menciptakan medan listrik yang berlawanan yang lebih tinggi dan mengurangi kepadatan arus bersih di inti. Di sisi lain, dekat permukaan konduktor, di mana ada tautan fluks magnetik yang lebih sedikit dengan arus AC asli, ada arus eddy yang lebih lemah dan medan listrik yang berlawanan yang 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. Inilah yang dikenal sebagai efek kulit dalam garis transmisi.

Kuantifikasi Efek Kulit

Efek kulit dapat dikuantifikasi menggunakan kedalaman kulit atau δ (delta), yang merupakan 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 berkurang 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 berkurang seiring bertambahnya konduktivitas.

Permeabilitas konduktor: Permeabilitas yang lebih tinggi berarti tautan fluks magnetik yang lebih banyak dan arus eddy yang lebih kuat. Oleh karena itu, kedalaman kulit berkurang 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 silindris 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 bahwa 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 dalam garis transmisi, seperti:

Peningkatan kerugian daya dan pemanasan konduktor, yang mengurangi efisiensi dan keandalan sistem.

Peningkatan impedansi dan penurunan tegangan garis transmisi, yang mempengaruhi kualitas sinyal dan pengiriman daya.

Peningkatan gangguan elektromagnetik dan radiasi dari garis transmisi, yang dapat mempengaruhi perangkat dan sirkuit di sekitarnya.

Oleh karena itu, diinginkan untuk mengurangi efek kulit dalam 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, daripada besi atau baja.

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

Menggunakan konduktor stranding atau anyaman daripada konduktor padat meningkatkan area permukaan efektif konduktor dan mengurangi arus eddy. Jenis khusus konduktor stranding yang disebut kawat litz dirancang untuk meminimalkan efek kulit dengan cara memutar strand sedemikian rupa sehingga setiap strand menduduki posisi yang berbeda di penampang sepanjang panjangnya.

Menggunakan konduktor berongga atau tabung daripada konduktor padat mengurangi berat dan biaya konduktor tanpa mempengaruhi kinerjanya secara signifikan. Bagian berongga konduktor tidak membawa banyak arus karena efek kulit, jadi bisa 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, hal ini mungkin tidak dapat dilakukan untuk beberapa aplikasi yang memerlukan sinyal frekuensi tinggi.

Kesimpulan

Efek kulit adalah fenomena yang terjadi dalam 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 efektif dan impedansi 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 nilai 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 luas penampang yang lebih kecil, struktur stranding atau anyaman, bentuk berongga atau tabung, susunan paralel ganda, 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 berbagai aplikasi dan frekuensi.