Effekt av huden i overføringslinjer

Definisjon av Skin-effekt

Skin-effekten i overføringslinjer er fenomenet der vekselstrøm koncentrerer seg nær ledningens overflate, noe som øker den effektive motstanden.

Skin-effekten defineres som tendensen til en vekselstrøm å fordele seg ujevnt over krysset av en leder, slik at strømtettheten er høyest nær ledningens overflate og avtar eksponentielt mot kjernen. Dette betyr at den indre delen av lederen bærer mindre strøm enn den ytre delen, noe som fører til økt effektiv motstand i lederen.

Skin-effekten reduserer det tilgjengelige tverrsnittet for strømflyt, øker strømtap og varming av lederen. Den endrer impedansen i overføringslinjen, noe som påvirker spredningen av spenning og strøm. Dette effekten intensiveres med høyere frekvenser, større lederdiametre og lavere ledeevne.

Skin-effekten forekommer ikke i direktestrømsystemer (DC), fordi strømmen flyter jevnt over hele tverrsnittet av lederen. Men i vekselstrømsystemer, spesielt de som opererer ved høye frekvenser som radiosystemer og mikrobølgesystemer, kan skin-effekten ha betydelige innvirkninger på design og analyse av overføringslinjer og andre komponenter.

Årsaker til skin-effekten

Skin-effekten er forårsaket av interaksjonen mellom det magnetiske feltet generert av vekselstrømmen og lederen selv. Som vist i figuren nedenfor, når en vekselstrøm flyter gjennom en sylindrisk leder, opprettes et magnetisk felt rundt og inni lederen. Retningen og styrken av dette magnetiske feltet endres ifølge frekvensen og amplituden av vekselstrømmen.

Ifølge Faradays lov om elektromagnetisk induksjon, inducerer et endrende magnetisk felt et elektrisk felt i en leder. Dette elektriske feltet inducerer så en motstrøm i lederen, kalt eddystrøm. Eddystrømmene sirkulerer inni lederen og motarbeider den originale vekselstrømmen.

Eddystrømmene er sterkest nær kjernen av lederen, der de har mer magnetisk fluxkobling med den originale vekselstrømmen. Derfor skaper de et høyere motarbeidende elektrisk felt og reduserer den netto strømtettheten i kjernen. På den andre siden, nær overflaten av lederen, der det er mindre magnetisk fluxkobling med den originale vekselstrømmen, er eddystrømmene svakere og det motarbeidende elektriske feltet er lavere. Derfor er det en høyere netto strømtetthet ved overflaten.

Dette fenomenet resulterer i en ujevn fordeling av strøm over tverrsnittet av lederen, med mer strøm som flyter nær overflaten enn nær kjernen. Dette kalles skin-effekten i overføringslinjer.

Kvantifisering av Skin-effekten

Skin-effekten kan kvantifiseres ved hjelp av skin-dybde eller δ (delta), som er dypt under lederens overflate hvor strømtettheten synker til omtrent 37% av dens overflateverdi. En mindre skin-dybde indikerer en mer alvorlig skin-effekt.

Skin-dybdens avhenger av flere faktorer, som:

Frekvensen av vekselstrømmen: Høyere frekvens betyr raskere endringer i det magnetiske feltet og sterkere eddystrømmer. Derfor minker skin-dybdens når frekvensen øker.

Ledeevnen til lederen: Høyere ledeevne betyr lavere motstand og lettere flyt av eddystrømmer. Derfor minker skin-dybdens når ledeevnen øker.

Permeabiliteten til lederen: Høyere permeabilitet betyr mer magnetisk fluxkobling og sterkere eddystrømmer. Derfor minker skin-dybdens når permeabiliteten øker.

Formen av lederen: Forskjellige former har ulike geometriske faktorer som påvirker fordelingen av det magnetiske feltet og eddystrømmer. Derfor varierer skin-dybdens med forskjellige former av lederer.

Formelen for å beregne skin-dybde for en sylindrisk leder med sirkulært tverrsnitt er:

δ er skin-dybdens (i meter)

ω er vinkelfrekvensen av vekselstrømmen (i radianer per sekund)

μ er permeabiliteten til lederen (i henries per meter)

σ er ledeevnen til lederen (i siemens per meter)

For eksempel, for en kobberleder med sirkulært tverrsnitt, som opererer ved 10 MHz, er skin-dybdens:

Dette betyr at bare en tynn lag på 0,066 mm nær overflaten av lederen bærer mesteparten av strømmen ved denne frekvensen.

Reduksjon av Skin-effekten

Skin-effekten kan forårsake flere problemer i overføringslinjer, som:

• Økte strømtap og varming av lederen, som reduserer systemets effektivitet og pålitelighet.

• Økt impedans og spenningsfall i overføringslinjen, som påvirker signalhøyden og strømforsyningen.

• Økt elektromagnetisk støy og stråling fra overføringslinjen, som kan påvirke nærliggende enheter og kretser.

Derfor er det ønskelig å redusere skin-effekten i overføringslinjer så mye som mulig. Noen av metodene som kan brukes for å redusere skin-effekten er:

• Bruk av lederer med høyere ledeevne og lavere permeabilitet, som kobber eller sølv, i stedet for jern eller stål.

• Bruk av lederer med mindre diameter eller tverrsnittsareal reduserer forskjellen mellom strømtettheten ved overflaten og i kjernen.

• Bruk av strandede eller flokkede lederer i stedet for solide lederer øker den effektive overflatearealet av lederen og reduserer eddystrømmer. En spesiell type stranded leder kalt litz-wire er designet for å minimere skin-effekten ved å twiste trådene på en måte som hver tråd innehar forskjellige posisjoner i tverrsnittet over sin lengde.

• Bruk av tomme eller rørformede lederer i stedet for solide lederer reduserer vekten og kostnaden av lederen uten å påvirke dens ytelse signifikant. Det tomme delen av lederen bærer ikke mye strøm på grunn av skin-effekten, så den kan fjernes uten å påvirke strømflyten.

• Bruk av flere parallelle lederer i stedet for en enkelt leder øker det effektive tverrsnittsarealet av lederen og reduserer dens motstand. Denne metoden er også kjent som bundling eller transposisjon.

• Reduksjon av frekvensen av vekselstrømmen øker skin-dybdens og reduserer skin-effekten. Imidlertid kan dette ikke være mulig for noen applikasjoner som krever høyfrekvente signaler.

Konklusjon

Skin-effekten er et fenomen som forekommer i overføringslinjer når en vekselstrøm flyter gjennom en leder. Det forårsaker en ujevn fordeling av strøm over tverrsnittet av lederen, med mer strøm som flyter nær overflaten enn nær kjernen. Dette øker den effektive motstanden og impedansen av lederen og reduserer dens effektivitet og ytelse.

Skin-effekten avhenger av flere faktorer, som frekvens, ledeevne, permeabilitet og form av lederen. Den kan kvantifiseres ved å bruke en parameter kalt skin-dybde, som er dypt under overflaten der strømtettheten synker til 37% av dens verdi ved overflaten.

Skin-effekten kan reduseres ved å bruke ulike metoder, som bruk av lederer med høyere ledeevne og lavere permeabilitet, mindre diameter eller tverrsnittsareal, strandede eller flokkede strukturer, tomme eller rørformede former, flere parallelle oppsett, eller lavere frekvens.

Skin-effekten er et viktig begrep i elektrisk teknikk som påvirker design og analyse av overføringslinjer og andre komponenter som bruker vekselstrøm. Det bør tas hensyn til når man velger passende type og størrelse av lederer for ulike applikasjoner og frekvenser.