Huid effect in transmissielijnen

Huid Effect Gedefinieerd

Huid effect in overdrachtslijnen is het fenomeen waarbij wisselstroom zich concentreert bij de oppervlakte van de geleider, waardoor de effectieve weerstand toeneemt.

Huid effect wordt gedefinieerd als de neiging van een wisselstroom om ongelijkmatig te zijn verdeeld over het doorsnijdsoppervlak van een geleider, zodanig dat de stroomdichtheid het hoogst is bij de oppervlakte van de huid van de geleider en exponentieel afneemt naar het centrum. Dit betekent dat het binnenste deel van de geleider minder stroom draagt dan het buitenste deel, wat resulteert in een toename van de effectieve weerstand van de geleider.

Huid effect vermindert het beschikbare doorsnijdsoppervlak voor stroom, waardoor vermogensverliezen en opwarming van de geleider toenemen. Het verandert de impedantie van de overdrachtslijn, wat de spanning- en stroomverdeling beïnvloedt. Dit effect neemt toe met hogere frequenties, grotere geleiderdiameters en lagere geleidbaarheid.

Huid effect komt niet voor in gelijkstroom (DC) systemen, omdat de stroom uniform door het doorsnijdsoppervlak van de geleider stroomt. Echter, in wisselstroom systemen, vooral die op hoge frequenties zoals radio- en microgolfsystemen werken, kan het huid effect significante invloed hebben op het ontwerp en de analyse van overdrachtslijnen en andere componenten.

Oorzaken van huid effect

Huid effect wordt veroorzaakt door de interactie van het magnetisch veld dat wordt gegenereerd door de wisselstroom met de geleider zelf. Zoals in de figuur hieronder wordt getoond, creëert een wisselstroom die door een cilindrische geleider stroomt, een magnetisch veld rond en binnen de geleider. De richting en grootte van dit magnetische veld veranderen volgens de frequentie en amplitude van de wisselstroom.

Volgens Faraday's wet van elektromagnetische inductie induceert een veranderend magnetisch veld een elektrisch veld in een geleider. Dit elektrisch veld induceert op zijn beurt een tegengestelde stroom in de geleider, genaamd een eddy stroom. De eddy stromen circuleren binnen de geleider en staan de oorspronkelijke wisselstroom tegen.

De eddy stromen zijn sterker bij het centrum van de geleider, waar ze meer magnetische fluxlinkage hebben met de oorspronkelijke wisselstroom. Daarom creëren ze een hoger tegengesteld elektrisch veld en verlagen ze de netto stroomdichtheid in het centrum. Aan de andere kant, bij de oppervlakte van de geleider, waar er minder magnetische fluxlinkage is met de oorspronkelijke wisselstroom, zijn de eddy stromen zwakker en is het tegengestelde elektrisch veld lager. Daarom is de netto stroomdichtheid aan de oppervlakte hoger.

Dit fenomeen resulteert in een onevenmatige verdeling van de stroom over het doorsnijdsoppervlak van de geleider, met meer stroom die dicht bij de oppervlakte stroomt dan dicht bij het centrum. Dit wordt bekend als het huid effect in overdrachtslijnen.

Kwantificatie van Huid Effect

Huid effect kan worden gekwantificeerd met behulp van de huiddiepte of δ (delta), die de diepte beneden de oppervlakte van de geleider is waar de stroomdichtheid tot ongeveer 37% van de oppervlakte-waarde daalt. Een kleinere huiddiepte geeft een ernstiger huid effect aan.

De huiddiepte hangt af van verschillende factoren, zoals:

De frequentie van de wisselstroom: Hogere frequentie betekent snellere veranderingen in het magnetisch veld en sterkere eddy stromen. Daarom neemt de huiddiepte af naarmate de frequentie toeneemt.

De geleidbaarheid van de geleider: Hogere geleidbaarheid betekent lagere weerstand en gemakkelijker stroom van eddy stromen. Daarom neemt de huiddiepte af naarmate de geleidbaarheid toeneemt.

De permeabiliteit van de geleider: Hogere permeabiliteit betekent meer magnetische fluxlinkage en sterkere eddy stromen. Daarom neemt de huiddiepte af naarmate de permeabiliteit toeneemt.

De vorm van de geleider: Verschillende vormen hebben verschillende geometrische factoren die de verdeling van het magnetisch veld en de eddy stromen beïnvloeden. Daarom varieert de huiddiepte met verschillende vormen van geleiders.

De formule voor het berekenen van de huiddiepte voor een cilindrische geleider met een cirkelvormig doorsnijdsoppervlak is:

δ is de huiddiepte (in meters)

ω is de hoekfrequentie van de wisselstroom (in radialen per seconde)

μ is de permeabiliteit van de geleider (in henries per meter)

σ is de geleidbaarheid van de geleider (in siemens per meter)

Bijvoorbeeld, voor een koperen geleider met een cirkelvormig doorsnijdsoppervlak, werkend op 10 MHz, is de huiddiepte:

Dit betekent dat slechts een dun laagje van 0,066 mm dicht bij de oppervlakte van de geleider de meeste stroom draagt op deze frequentie.

Vermindering van Huid Effecten

Huid effecten kunnen verschillende problemen veroorzaken in overdrachtslijnen, zoals:

• Toegenomen vermogensverliezen en opwarming van de geleider, wat de efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem vermindert.

• Toegenomen impedantie en spanningdaling van de overdrachtslijn, wat de signalkwaliteit en -levering beïnvloedt.

• Toegenomen elektromagnetische interferentie en straling van de overdrachtslijn, wat nabijgelegen apparatuur en circuits kan beïnvloeden.

Daarom is het wenselijk om het huid effect in overdrachtslijnen zo veel mogelijk te verkleinen. Enkele methoden die gebruikt kunnen worden om huid effecten te verkleinen zijn:

• Het gebruik van geleiders met hogere geleidbaarheid en lagere permeabiliteit, zoals koper of zilver, in plaats van ijzer of staal.

• Het gebruik van geleiders met kleinere diameter of doorsnijdsoppervlak vermindert het verschil tussen de stroomdichtheden aan de oppervlakte en in het centrum.

• Het gebruik van gestrande of gevlochten geleiders in plaats van massieve geleiders vergroot het effectieve oppervlak van de geleider en vermindert de eddy stromen. Een speciaal type gestrande geleider, genaamd litzdraad, is ontworpen om het huid effect te minimaliseren door de draden zo te draaien dat elke draad verschillende posities inneemt in het doorsnijdsoppervlak over de lengte.

• Het gebruik van holle of buisvormige geleiders in plaats van massieve geleiders vermindert het gewicht en de kosten van de geleider zonder de prestaties significant te beïnvloeden. Het holle deel van de geleider draagt weinig stroom door het huid effect, dus kan het worden verwijderd zonder de stroomvoer te beïnvloeden.

• Het gebruik van meerdere parallelle geleiders in plaats van één geleider vergroot het effectieve doorsnijdsoppervlak van de geleider en vermindert de weerstand. Deze methode staat ook bekend als bundeling of transpositie.

• Het verminderen van de frequentie van de wisselstroom vergroot de huiddiepte en vermindert het huid effect. Echter, dit kan niet altijd haalbaar zijn voor sommige toepassingen die hoge-frequentie signalen vereisen.

Conclusie

Huid effect is een fenomeen dat optreedt in overdrachtslijnen wanneer een wisselstroom door een geleider stroomt. Het veroorzaakt een onevenmatige verdeling van de stroom over het doorsnijdsoppervlak van de geleider, met meer stroom die dicht bij de oppervlakte stroomt dan dicht bij het centrum. Dit verhoogt de effectieve weerstand en impedantie van de geleider en vermindert de efficiëntie en prestaties.

Huid effect hangt af van verschillende factoren, zoals de frequentie, geleidbaarheid, permeabiliteit en vorm van de geleider. Het kan worden gekwantificeerd door gebruik te maken van een parameter genaamd huiddiepte, die de diepte beneden de oppervlakte is waar de stroomdichtheid tot 37% van de waarde aan de oppervlakte daalt.

Huid effect kan worden verkleind door gebruik te maken van verschillende methoden, zoals het gebruik van geleiders met hogere geleidbaarheid en lagere permeabiliteit, kleinere diameter of doorsnijdsoppervlak, gestrande of gevlochten structuur, holle of buisvormige vorm, meerdere parallelle arrangementen, of lagere frequentie.

Huid effect is een belangrijk concept in de elektrische techniek dat de ontwerpen en analyses van overdrachtslijnen en andere componenten die wisselstroom gebruiken, beïnvloedt. Het moet worden meegenomen bij het kiezen van de juiste type en grootte van geleiders voor verschillende toepassingen en frequenties.