Efekat kože u prenosnim linijama

Definisan je efekat kože

Efekat kože u prijenosnim linijama je pojava gde se strujni tok AC koncentriše blizu površine vodilja, povećavajući njegovu efektivnu otpornost.

Efekat kože se definiše kao tendencija strujnog toka AC da se nejednako rasporedi preko preseka vodilja, tako da je gustoća struje najveća blizu površine vodilja i eksponencijalno opada ka jezgru. To znači da unutrašnji deo vodilja nosi manju struju od spoljnog dela, što rezultira povećanom efektivnom otpornosti vodilja.

Efekat kože smanjuje dostupnu površinu preseka za protok struje, povećavajući gubitke snage i zagrevanje vodilja. On menja impedanciju prijenosne linije, utičući na raspodelu napona i struje. Ovaj efekat se intenzivira sa višim frekvencijama, većim prečnicima vodilja i nižom provodljivošću.

Efekat kože ne nastupa u sistemima sa direktnom strujom (DC), jer se struja ravnomerno širi kroz presek vodilja. Međutim, u sistemima sa izmjeničnom strujom (AC), posebno onima koji rade na visokim frekvencijama, poput radio i mikrovalnih sistema, efekat kože može imati značajne uticaje na dizajn i analizu prijenosnih linija i drugih komponenti.

Uzroci efekta kože

Efekat kože je uzrokovan interakcijom magnetnog polja generisanog strujnim tokom AC sa samim vodiljem. Kao što je prikazano na slici ispod, kada strujni tok AC teče kroz cilindrični vodilj, stvara se magnetno polje oko i unutar vodilja. Smjer i intenzitet ovog magnetnog polja menjaju se u skladu sa frekvencijom i amplitudom strujnog toka AC.

Prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, promenljivo magnetno polje indukuje električno polje u vodilju. Ovo električno polje, na svoju stranu, indukuje suprotan strujni tok u vodilju, poznat kao cirkulacioni tok. Cirkulacioni tokovi se kreću unutar vodilja i suprotstavljaju originalnom strujnom toku AC.

Cirkulacioni tokovi su jači blizu jezgra vodilja, gde imaju više vezanih magnetnih fluksa sa originalnim strujnim tokom AC. Stoga, stvaraju jači suprotan električni polje i smanjuju neto gustoću struje u jezgru. Sa druge strane, blizu površine vodilja, gde postoji manje vezanih magnetnih fluksa sa originalnim strujnim tokom AC, cirkulacioni tokovi su slabiji i ima manji suprotan električni polje. Stoga, postoji veća neto gustoća struje na površini.

Ova pojava rezultira nejednakim raspodelom struje preko preseka vodilja, sa više struje koja teče blizu površine nego blizu jezgra. Ovo je poznato kao efekat kože u prijenosnim linijama.

Kvantifikacija efekta kože

Efekat kože se može kvantificirati koristeći dubinu kože ili δ (delta), koja predstavlja dubinu ispod površine vodilja gde gustoća struje pada na oko 37% njene vrednosti na površini. Manja dubina kože ukazuje na oštriji efekat kože.

Dubina kože zavisi od nekoliko faktora, kao što su:

Frekvencija strujnog toka AC: Viša frekvencija znači bržu promenu magnetnog polja i jači cirkulacioni tokove. Stoga, dubina kože opada kako frekvencija raste.

Provodljivost vodilja: Viša provodljivost znači nižu otpornost i lakši protok cirkulacionih tokova. Stoga, dubina kože opada kako provodljivost raste.

Permeabilnost vodilja: Viša permeabilnost znači više vezanih magnetnih fluksa i jači cirkulacione tokove. Stoga, dubina kože opada kako permeabilnost raste.

Oblik vodilja: Različiti oblici imaju različite geometrijske faktore koji utiču na raspodelu magnetnog polja i cirkulacione tokove. Stoga, dubina kože varira sa različitim oblicima vodilja.

Formula za izračunavanje dubine kože za cilindrični vodilj sa kružnim presekom je:

δ je dubina kože (u metrima)

ω je kutna frekvencija strujnog toka AC (u radijanima po sekundi)

μ je permeabilnost vodilja (u henrijima po metru)

σ je provodljivost vodilja (u siemensima po metru)

Na primer, za bakreni vodilj sa kružnim presekom, koji radi na 10 MHz, dubina kože je:

To znači da samo tanki sloj od 0,066 mm blizu površine vodilja nosi većinu struje na ovoj frekvenciji.

Smanjenje efekata kože

Efekti kože mogu dovesti do nekoliko problema u prijenosnim linijama, kao što su:

• Povećani gubitci snage i zagrevanje vodilja, što smanjuje efikasnost i pouzdanost sistema.

• Povećana impedanca i pad napona prijenosne linije, što utiče na kvalitet signala i isporuku snage.

• Povećano elektromagnetno smetnje i zračenje od prijenosne linije, što može uticati na okolne uređaje i krugove.

Stoga, željeno je smanjiti efekat kože u prijenosnim linijama koliko god je moguće. Neki od metoda koji se mogu koristiti za smanjenje efekata kože su:

• Korišćenje vodilja sa većom provodljivošću i nižom permeabilnošću, kao što su bakar ili srebro, umesto željeza ili čelika.

• Korišćenje vodilja sa manjim prečnicima ili presecima smanjuje razliku između gustoće struje na površini i u jezgru.

• Korišćenje grmljavastih ili pleštenih vodilja umesto čvrstih vodilja povećava efektivnu površinu vodilja i smanjuje cirkulacione tokove. Poseban tip grmljavastog vodilja, poznat kao litz žica, je dizajniran da minimizuje efekat kože savijanjem niti na način da svaka nit zauzima različite pozicije u preseku duž svoje dužine.

• Korišćenje praznih ili cevastih vodilja umesto čvrstih vodilja smanjuje težinu i trošak vodilja bez značajnog uticaja na njegovu performansu. Prazni deo vodilja ne nosi mnogo struje zbog efekta kože, pa se može ukloniti bez uticaja na protok struje.

• Korišćenje više paralelnih vodilja umesto jednog vodilja povećava efektivnu površinu preseka vodilja i smanjuje njegovu otpornost. Ovaj metod je takođe poznat kao grupisanje ili transpozicija.

• Smanjenje frekvencije strujnog toka AC povećava dubinu kože i smanjuje efekat kože. Međutim, ovo može biti nepraktično za neke primene koje zahtevaju visoke frekvencije.

Zaključak

Efekat kože je pojava koja se javlja u prijenosnim linijama kada strujni tok AC teče kroz vodilj. On dovodi do nejednake raspodele struje preko preseka vodilja, sa više struje koja teče blizu površine nego blizu jezgra. Ovo povećava efektivnu otpornost i impedanciju vodilja i smanjuje njegovu efikasnost i performansu.

Efekat kože zavisi od nekoliko faktora, kao što su frekvencija, provodljivost, permeabilnost i oblik vodilja. On se može kvantificirati parametrom poznatim kao dubina kože, koja predstavlja dubinu ispod površine gde gustoća struje pada na 37% njene vrednosti na površini.

Efekat kože se može smanjiti korišćenjem različitih metoda, kao što su korišćenje vodilja sa većom provodljivošću i nižom permeabilnošću, manjim prečnikom ili presekom, grmljavastom ili pleštenom strukturom, praznim ili cevastim oblikom, više paralelnih rasporeda ili nižom frekvencijom.

Efekat kože je važan koncept u električnoj inženjerstvu koji utiče na dizajn i analizu prijenosnih linija i drugih komponenti koje koriste strujne tokove AC. Treba ga uzeti u obzir prilikom biranja odgovarajućeg tipa i veličine vodilja za različite primene i frekvencije.