Effekten av huden i förädlingssystem

Yttereffekt Definierad

Yttereffekten i förbindningslinjer är fenomenet där växelströmmen koncentreras nära ledarens yta, vilket ökar dess effektiva resistans.

Yttereffekten definieras som tendensen hos en växelström att fördelas ojämnt över korssektionen av en ledare, så att strömtätheten är högst nära ledarens ytorymd och minskar exponentiellt mot kärnan. Detta innebär att den inre delen av ledaren bär mindre ström än den yttre delen, vilket resulterar i ökad effektiv resistans för ledaren.

Yttereffekten minskar det tillgängliga korssektionsområdet för strömföring, vilket ökar effektförluster och uppvärmning av ledaren. Den ändrar impedansen i förbindningslinjen, vilket påverkar spännings- och strömfördelningen. Denna effekt intensifieras med högre frekvenser, större ledardiametrar och lägre ledande egenskaper.

Yttereffekten inträffar inte i likströmsystem (DC), eftersom strömmen flödar jämnt genom hela korssektionen av ledaren. Men i växelströmsystem, särskilt de som opererar vid höga frekvenser som radiot och mikrovågsystem, kan yttereffekten ha betydande påverkan på designen och analysen av förbindningslinjer och andra komponenter.

Orsaker till yttereffekten

Yttereffekten orsakas av interaktionen mellan det magnetiska fält som genereras av växelströmmen med ledaren själv. Som visas i figuren nedan, när en växelström flödar genom en cylindrisk ledare, skapar den ett magnetfält runt och inuti ledaren. Riktningen och magnituden av detta magnetfält ändras enligt frekvensen och amplituden av växelströmmen.

Enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion, inducerar ett föränderligt magnetfält ett elektriskt fält i en ledare. Detta elektriska fält inducerar i sin tur en motsatt ström i ledaren, kallad virvelström. Virvelströmmarna cirkulerar inuti ledaren och motarbetar den ursprungliga växelströmmen.

Virvelströmmarna är starkare nära kärnan av ledaren, där de har mer magnetisk fluxkoppling med den ursprungliga växelströmmen. Därför skapar de ett högre motsatt elektriskt fält och minskar den neta strömtätheten i kärnan. Å andra sidan, nära ledarens yta, där det finns mindre magnetisk fluxkoppling med den ursprungliga växelströmmen, finns det svagare virvelströmmar och ett lägre motsatt elektriskt fält. Därför finns det en högre neta strömtäthet vid ytan.

Detta fenomen resulterar i en ojämn fördelning av strömmen över ledarens korssektion, med mer ström som flödar nära ytan än nära kärnan. Detta kallas yttereffekt i förbindningslinjer.

Kvantificering av yttereffekten

Yttereffekten kan kvantifieras med hjälp av yttdjup eller δ (delta), vilket är djupet under ledarens yta där strömtätheten faller till cirka 37% av dess ytvärde. Ett mindre yttdjup indikerar en allvarligare yttereffekt.

Yttdjupet beror på flera faktorer, såsom:

Frekvensen av växelströmmen: Högre frekvens betyder snabbare förändringar i magnetfältet och starkare virvelströmmar. Därför minskar yttdjupet när frekvensen ökar.

Ledningsegenskaperna hos ledaren: Högre ledningsegenskaper betyder lägre resistans och lättare flyt av virvelströmmar. Därför minskar yttdjupet när ledningsegenskaperna ökar.

Permeabiliteten hos ledaren: Högre permeabilitet betyder mer magnetisk fluxkoppling och starkare virvelströmmar. Därför minskar yttdjupet när permeabiliteten ökar.

Formen på ledaren: Olika former har olika geometriska faktorer som påverkar magnetfältsfördelningen och virvelströmmar. Därför varierar yttdjupet med olika former av ledare.

Formeln för att beräkna yttdjup för en cylindrisk ledare med en cirkulär korssektion är:

δ är yttdjupet (i meter)

ω är den vinkelfrekvensen av växelströmmen (i radianer per sekund)

μ är permeabiliteten hos ledaren (i henry per meter)

σ är ledningsegenskaperna hos ledaren (i siemens per meter)

Till exempel, för en kopparledare med en cirkulär korssektion, som opererar vid 10 MHz, är yttdjupet:

Detta betyder att endast en tunn lager av 0,066 mm nära ledarens yta bär det mesta av strömmen vid denna frekvens.

Minskning av yttereffekter

Yttereffekter kan orsaka flera problem i förbindningslinjer, såsom:

• Ökade effektförluster och uppvärmning av ledaren, vilket minskar systemets effektivitet och tillförlitlighet.

• Ökad impedans och spänningsfall i förbindningslinjen, vilket påverkar signalens kvalitet och effektleverans.

• Ökad elektromagnetisk interferens och strålning från förbindningslinjen, vilket kan påverka närliggande enheter och kretsar.

Därför är det önskvärt att minska yttereffekten i förbindningslinjer så mycket som möjligt. Några av metoderna som kan användas för att minska yttereffekter är:

• Använda ledare med högre ledningsegenskaper och lägre permeabilitet, såsom koppar eller silver, istället för järn eller stål.

• Använda ledare med mindre diametrar eller korssektionsområden minskar skillnaden mellan strömtätheten på ytan och i kärnan.

• Använda strandeda eller flätade ledare istället för solida ledare ökar den effektiva ytarean av ledaren och minskar virvelströmmar. En speciell typ av stranded ledare kallas litz tråd, som är utformad för att minimera yttereffekten genom att vrida strängarna på ett sätt så att varje sträng intar olika positioner i korssektionen längs sin längd.

• Använda tomma eller rörsformade ledare istället för solida ledare minskar vikten och kostnaden för ledaren utan att påverka dess prestanda signifikant. Den tomma delen av ledaren bär inte mycket ström p.g.a. yttereffekten, så den kan tas bort utan att påverka strömföringen.

• Använda flera parallella ledare istället för en enskild ledare ökar den effektiva korssektionsytan av ledaren och minskar dess resistans. Denna metod kallas också bundling eller transposition.

• Att minska frekvensen av växelströmmen ökar yttdjupet och minskar yttereffekten. Men detta kan inte vara möjligt för vissa tillämpningar som kräver högfrekventa signaler.

Slutsats

Yttereffekten är ett fenomen som inträffar i förbindningslinjer när en växelström flödar genom en ledare. Det orsakar en ojämn fördelning av strömmen över ledarens korssektion, med mer ström som flödar nära ytan än nära kärnan. Detta ökar den effektiva resistansen och impedansen av ledaren och minskar dess effektivitet och prestanda.

Yttereffekten beror på flera faktorer, såsom frekvens, ledningsegenskaper, permeabilitet och form av ledaren. Den kan kvantifieras med hjälp av en parameter kallad yttdjup, vilket är djupet under ytan där strömtätheten sjunker till 37% av dess värde vid ytan.

Yttereffekten kan minskas genom att använda olika metoder, såsom att använda ledare med högre ledningsegenskaper och lägre permeabilitet, mindre diameter eller korssektionsarea, stranded eller flätad struktur, tom eller rörsformad form, flera parallella arrangemang, eller lägre frekvens.

Yttereffekten är ett viktigt begrepp inom elteknik som påverkar designen och analysen av förbindningslinjer och andra komponenter som använder växelströmmar. Det bör beaktas när man väljer den lämpliga typen och storleken av ledare för olika tillämpningar och frekvenser.