Efekt skórny w liniach przesyłowych

Zdefiniowanie efektu skórnego

Efekt skórny w liniach przesyłowych to zjawisko, w którym prąd przemienny koncentruje się w pobliżu powierzchni przewodnika, co zwiększa jego skuteczną oporność.

Efekt skórny definiuje się jako tendencja prądu przemiennego do nierównomiernego rozkładu na przekroju przewodnika, tak że gęstość prądu jest najwyższa w pobliżu powierzchni przewodnika i wykładniczo maleje w kierunku środka. Oznacza to, że wewnętrzna część przewodnika niesie mniej prądu niż zewnętrzna, co prowadzi do zwiększenia skutecznej oporności przewodnika.

Efekt skórny zmniejsza dostępne pole przekroju dla przepływu prądu, zwiększając straty mocy i nagrzewanie przewodnika. Zmienia on impedancję linii przesyłowej, wpływając na rozkład napięcia i prądu. To zjawisko intensyfikuje się przy wyższych częstotliwościach, większych średnicach przewodników i niższej przewodności.

Efekt skórny nie występuje w systemach prądu stałego (DC), ponieważ prąd płynie jednolicie przez cały przekrój przewodnika. Jednak w systemach prądu przemiennego, szczególnie tych działających na wysokich częstotliwościach, takich jak systemy radiowe i mikrofalowe, efekt skórny może mieć znaczny wpływ na projektowanie i analizę linii przesyłowych i innych komponentów.

Przyczyny efektu skórnego

Efekt skórny jest spowodowany oddziaływaniem pola magnetycznego generowanego przez prąd przemienny z samym przewodnikiem. Jak pokazano na rysunku poniżej, gdy prąd przemienny płynie przez cylindryczny przewodnik, tworzy pole magnetyczne wokół i wewnątrz przewodnika. Kierunek i natężenie tego pola magnetycznego zmieniają się w zależności od częstotliwości i amplitudy prądu przemiennego.

Zgodnie z prawem Faradaya indukcji elektromagnetycznej, zmieniające się pole magnetyczne indukuje pole elektryczne w przewodniku. To pole elektryczne, z kolei, indukuje przeciwstawny prąd w przewodniku, zwany prądem wirowym. Prądy wirowe krążą w przewodniku i przeciwstawiają się oryginalnemu prądowi przemiennemu.

Prądy wirowe są silniejsze w pobliżu środka przewodnika, gdzie mają większą wiązanie magnetyczne z oryginalnym prądem przemiennym. Stosują one wyższe przeciwstawne pole elektryczne i zmniejszają netto gęstość prądu w środku. Z drugiej strony, w pobliżu powierzchni przewodnika, gdzie jest mniejsze wiązanie magnetyczne z oryginalnym prądem przemiennym, prądy wirowe są słabsze i przeciwstawne pole elektryczne jest niższe. Dlatego netto gęstość prądu na powierzchni jest wyższa.

To zjawisko powoduje nierównomierny rozkład prądu na przekroju przewodnika, z większym prądem płynącym w pobliżu powierzchni niż w pobliżu środka. Jest to znane jako efekt skórny w liniach przesyłowych.

Kwantyfikacja efektu skórnego

Efekt skórny można kwantyfikować za pomocą głębokości skórnej lub δ (delta), która to głębokość poniżej powierzchni przewodnika, gdzie gęstość prądu spada do około 37% jej wartości na powierzchni. Mniejsza głębokość skórna wskazuje na bardziej nasileny efekt skórny.

Głębokość skórna zależy od wielu czynników, takich jak:

Częstotliwość prądu przemiennego: Wyższa częstotliwość oznacza szybsze zmiany pola magnetycznego i silniejsze prądy wirowe. W związku z tym głębokość skórna maleje, gdy częstotliwość rośnie.

Przewodność przewodnika: Wyższa przewodność oznacza niższą oporność i łatwiejszy przepływ prądów wirowych. W związku z tym głębokość skórna maleje, gdy przewodność wzrasta.

Przenikalność magnetyczna przewodnika: Wyższa przenikalność oznacza większe wiązanie magnetyczne i silniejsze prądy wirowe. W związku z tym głębokość skórna maleje, gdy przenikalność rośnie.

Kształt przewodnika: Różne kształty mają różne współczynniki geometryczne, które wpływają na rozkład pola magnetycznego i prądy wirowe. W związku z tym głębokość skórna różni się dla różnych kształtów przewodników.

Wzór na obliczenie głębokości skórnej dla cylindrycznego przewodnika o okrągłym przekroju to:

δ to głębokość skórna (w metrach)

ω to częstotliwość kątowa prądu przemiennego (w radianach na sekundę)

μ to przenikalność magnetyczna przewodnika (w henrych na metr)

σ to przewodność przewodnika (w siemensach na metr)

Na przykład, dla przewodnika miedzianego o okrągłym przekroju, działającego przy 10 MHz, głębokość skórna wynosi:

Oznacza to, że tylko cienka warstwa o grubości 0,066 mm w pobliżu powierzchni przewodnika niesie większość prądu przy tej częstotliwości.

Zmniejszenie efektu skórnego

Efekt skórny może powodować wiele problemów w liniach przesyłowych, takich jak:

• Zwiększone straty mocy i nagrzewanie przewodnika, co zmniejsza efektywność i niezawodność systemu.

• Zwiększone impedancję i spadek napięcia linii przesyłowej, co wpływa na jakość sygnału i dostarczanie mocy.

• Zwiększone zakłócenia elektromagnetyczne i promieniowanie z linii przesyłowej, które mogą wpływać na pobliskie urządzenia i obwody.

Dlatego pożądane jest zmniejszenie efektu skórnego w liniach przesyłowych jak najbardziej. Niektóre metody, które można wykorzystać do zmniejszenia efektu skórnego, to:

• Używanie przewodników o wyższej przewodności i niższej przenikalności, takich jak miedź lub srebro, zamiast żelaza lub stali.

• Używanie przewodników o mniejszych średnicach lub przekrojach, co zmniejsza różnicę między gęstościami prądu na powierzchni i w środku.

• Używanie przewodników splączonych lub splecionych zamiast solidnych przewodników, co zwiększa skuteczną powierzchnię przewodnika i zmniejsza prądy wirowe. Specjalny typ przewodnika splączonego, zwany drutem Litz, jest zaprojektowany, aby minimalizować efekt skórny, poprzez skręcanie przędz w sposób, który każda przędza zajmuje różne pozycje w przekroju wzdłuż swojej długości.

• Używanie pustych lub rurkowych przewodników zamiast solidnych przewodników, co zmniejsza wagę i koszt przewodnika bez znacznego wpływu na jego wydajność. Pusta część przewodnika nie niesie dużo prądu ze względu na efekt skórny, więc można ją usunąć bez wpływu na przepływ prądu.

• Używanie wielu równoległych przewodników zamiast pojedynczego przewodnika, co zwiększa skuteczny przekrój przewodnika i zmniejsza jego oporność. Ta metoda jest również znana jako grupowanie lub transpozycja.

• Zmniejszanie częstotliwości prądu przemiennego zwiększa głębokość skórna i zmniejsza efekt skórny. Jednak może to być niemożliwe dla niektórych aplikacji wymagających sygnałów o wysokiej częstotliwości.

Podsumowanie

Efekt skórny to zjawisko występujące w liniach przesyłowych, gdy prąd przemienny płynie przez przewodnik. Powoduje on nierównomierny rozkład prądu na przekroju przewodnika, z większym prądem płynącym w pobliżu powierzchni niż w pobliżu środka. To zwiększa skuteczną oporność i impedancję przewodnika oraz zmniejsza jego efektywność i wydajność.

Efekt skórny zależy od wielu czynników, takich jak częstotliwość, przewodność, przenikalność i kształt przewodnika. Można go kwantyfikować za pomocą parametru zwanego głębokością skórna, który to jest głębokość poniżej powierzchni, gdzie gęstość prądu spada do 37% jej wartości na powierzchni.

Efekt skórny można zmniejszyć, używając różnych metod, takich jak użycie przewodników o wyższej przewodności i niższej przenikalności, mniejszej średnicy lub przekroju, struktury splączonej lub splecionej, pustej lub rurkowej formy, wielu równoległych układów lub niższej częstotliwości.

Efekt skórny to ważne pojęcie w inżynierii elektrycznej, które wpływa na projektowanie i analizę linii przesyłowych i innych komponentów, które używają prądów przemiennych. Należy go uwzględnić podczas wybierania odpowiedniego typu i rozmiaru przewodników dla różnych zastosowań i częstotliwości.