ผลต่อผิวในสายส่งไฟฟ้า

การกำหนดความหมายของ Skin Effect

Skin effect ในสายส่งคือปรากฏการณ์ที่กระแสไฟฟ้าสลับมีแนวโน้มที่จะรวมตัวอยู่ใกล้ผิวของตัวนำ ทำให้ความต้านทานโดยรวมเพิ่มขึ้น

Skin effect ถูกกำหนดว่าเป็นลักษณะที่กระแสไฟฟ้าสลับกระจายไม่เท่ากันบนพื้นที่ตัดตามขวางของตัวนำ โดยที่ความหนาแน่นของกระแสสูงสุดบริเวณผิวของตัวนำและลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลไปยังแกนกลาง นั่นหมายความว่าส่วนภายในของตัวนำจะมีกระแสผ่านน้อยกว่าส่วนภายนอก ทำให้ความต้านทานโดยรวมของตัวนำเพิ่มขึ้น

Skin effect ลดพื้นที่ตัดตามขวางที่ใช้สำหรับการไหลของกระแส ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานและการร้อนของตัวนำเพิ่มขึ้น มันเปลี่ยนแปลงอิมพิแดนซ์ของสายส่ง ทำให้การกระจายแรงดันและกระแสเปลี่ยนแปลง ผลนี้เพิ่มขึ้นเมื่อมีความถี่สูงขึ้น ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำใหญ่ขึ้น และความนำไฟฟ้าต่ำลง

Skin effect ไม่เกิดขึ้นในระบบกระแสตรง (DC) เพราะกระแสไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดพื้นที่ตัดตามขวางของตัวนำ แต่ในระบบกระแสสลับ (AC) โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ทำงานที่ความถี่สูง เช่น ระบบวิทยุและไมโครเวฟ skin effect สามารถมีผลกระทบสำคัญต่อการออกแบบและการวิเคราะห์ของสายส่งและองค์ประกอบอื่น ๆ

สาเหตุของ Skin effect

Skin effect เกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าสลับกับตัวนำเอง เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านตัวนำทรงกระบอก จะสร้างสนามแม่เหล็กรอบและภายในตัวนำ ทิศทางและความเข้มของสนามแม่เหล็กนี้เปลี่ยนแปลงตามความถี่และแอมปลิจูดของกระแสไฟฟ้าสลับ

ตามกฎของ Faraday ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้าในตัวนำ สนามไฟฟ้านี้จะเหนี่ยวนำกระแสตรงที่ต้านทานกระแสไฟฟ้าสลับเดิม ซึ่งเรียกว่ากระแสวน กระแสวนจะหมุนเวียนภายในตัวนำและต้านทานกระแสไฟฟ้าสลับเดิม

กระแสวนมีความแรงมากขึ้นบริเวณแกนกลางของตัวนำ ซึ่งมีการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กมากกว่ากับกระแสไฟฟ้าสลับเดิม ดังนั้นมันสร้างสนามไฟฟ้าที่ต้านทานมากขึ้นและลดความหนาแน่นของกระแสสุทธิที่แกนกลาง ในขณะที่บริเวณผิวของตัวนำ ซึ่งมีการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กน้อยกว่ากับกระแสไฟฟ้าสลับเดิม จะมีกระแสวนที่อ่อนแอและสนามไฟฟ้าที่ต้านทานน้อยลง ดังนั้นจะมีความหนาแน่นของกระแสสุทธิที่สูงขึ้นที่ผิว

ปรากฏการณ์นี้ทำให้การกระจายกระแสไม่เท่ากันบนพื้นที่ตัดตามขวางของตัวนำ โดยมีกระแสไหลมากขึ้นบริเวณผิวมากกว่าบริเวณแกนกลาง นี่คือที่มาของ Skin effect ในสายส่ง

การวัด Skin Effect

Skin effect สามารถวัดได้โดยใช้ความลึกของผิวหรือ δ (เดลตา) ซึ่งเป็นความลึกใต้ผิวของตัวนำที่ความหนาแน่นของกระแสลดลงเหลือประมาณ 37% ของค่าที่ผิว ความลึกของผิวที่เล็กลงแสดงถึง Skin effect ที่รุนแรงขึ้น

ความลึกของผิวขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น:

ความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับ: ความถี่สูงขึ้นหมายถึงการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กรวดเร็วขึ้นและกระแสวนที่แรงขึ้น ดังนั้นความลึกของผิวจะลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น

ความนำไฟฟ้าของตัวนำ: ความนำไฟฟ้าสูงขึ้นหมายถึงความต้านทานต่ำลงและการไหลของกระแสวนที่ง่ายขึ้น ดังนั้นความลึกของผิวจะลดลงเมื่อความนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

ความชุ่มชื้นของตัวนำ: ความชุ่มชื้นสูงขึ้นหมายถึงการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กมากขึ้นและกระแสวนที่แรงขึ้น ดังนั้นความลึกของผิวจะลดลงเมื่อความชุ่มชื้นเพิ่มขึ้น

รูปร่างของตัวนำ: รูปร่างที่แตกต่างกันมีปัจจัยทางเรขาคณิตที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อการกระจายสนามแม่เหล็กและกระแสวน ดังนั้นความลึกของผิวจะแตกต่างกันตามรูปร่างของตัวนำ

สูตรในการคำนวณความลึกของผิวสำหรับตัวนำทรงกระบอกที่มีพื้นที่ตัดตามขวางเป็นวงกลมคือ:

δ คือความลึกของผิว (ในหน่วยเมตร)

ω คือความถี่เชิงมุมของกระแสไฟฟ้าสลับ (ในหน่วยเรเดียนต่อวินาที)

μ คือความชุ่มชื้นของตัวนำ (ในหน่วยเฮนรีต่อเมตร)

σ คือความนำไฟฟ้าของตัวนำ (ในหน่วยซีเมนต์ต่อเมตร)

ตัวอย่างเช่น สำหรับตัวนำทองแดงที่มีพื้นที่ตัดตามขวางเป็นวงกลม ทำงานที่ 10 MHz ความลึกของผิวคือ:

นี่หมายความว่าเพียงชั้นบางๆ 0.066 มม. บริเวณผิวของตัวนำเท่านั้นที่มีกระแสไหลผ่านมากที่สุดที่ความถี่นี้

การลด Skin Effects

Skin effects สามารถทำให้เกิดปัญหาหลายประการในสายส่ง เช่น:

• การสูญเสียพลังงานและการร้อนของตัวนำเพิ่มขึ้น ซึ่งลดประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบ

• การเพิ่มขึ้นของอิมพิแดนซ์และการลดแรงดันของสายส่ง ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของสัญญาณและการส่งกำลัง

• การเพิ่มขึ้นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการแผ่รังสีจากสายส่ง ซึ่งสามารถส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์และวงจรที่อยู่ใกล้เคียง

ดังนั้น การลด Skin effect ในสายส่งให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้เป็นสิ่งที่ต้องการ วิธีการบางอย่างที่สามารถใช้ในการลด Skin effects คือ:

• การใช้ตัวนำที่มีความนำไฟฟ้าสูงและมีความชุ่มชื้นต่ำ เช่น ทองแดงหรือเงิน แทนที่จะใช้เหล็กหรือสแตนเลส

• การใช้ตัวนำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหรือพื้นที่ตัดตามขวางเล็กลง เพื่อลดความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นของกระแสที่ผิวและแกนกลาง

• การใช้ตัวนำที่มีโครงสร้างเป็นเส้นใยหรือเป็นลายบิดแทนที่จะใช้ตัวนำที่เป็นแท่งเดียว เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพของตัวนำและลดกระแสวน ตัวนำที่มีโครงสร้างเป็นเส้นใยพิเศษที่เรียกว่า litz wire ถูกออกแบบมาเพื่อลด Skin effect โดยการบิดเส้นใยในลักษณะที่แต่ละเส้นใยจะอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกันในพื้นที่ตัดตามขวางตลอดความยาวของตัวนำ

• การใช้ตัวนำที่เป็นหลอดหรือเป็นท่อแทนที่จะใช้ตัวนำที่เป็นแท่งเดียว เพื่อลดน้ำหนักและค่าใช้จ่ายของตัวนำโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพอย่างมาก ส่วนที่ว่างของตัวนำไม่ได้ขนส่งกระแสไฟฟ้ามากนักเนื่องจาก Skin effect ดังนั้นสามารถลบส่วนนี้ออกได้โดยไม่กระทบต่อการไหลของกระแส

• การใช้ตัวนำหลายเส้นขนานแทนที่จะใช้ตัวนำเพียงเส้นเดียว เพื่อเพิ่มพื้นที่ตัดตามขวางที่มีประสิทธิภาพของตัวนำและลดความต้านทาน วิธีการนี้ยังเรียกว่าวิธีการรวมกันหรือการสลับตำแหน่ง

• การลดความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับ เพื่อเพิ่มความลึกของผิวและลด Skin effect อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้อาจไม่สามารถทำได้สำหรับบางแอปพลิเคชันที่ต้องการสัญญาณความถี่สูง

สรุป

Skin effect เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในสายส่งเมื่อมีกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านตัวนำ มันทำให้การกระจายกระแสไม่เท่ากันบนพื้นที่ตัดตามขวางของตัวนำ โดยมีกระแสไหลมากขึ้นบริเวณผิวมากกว่าบริเวณแกนกลาง นี่ทำให้ความต้านทานและอิมพิแดนซ์ของตัวนำเพิ่มขึ้นและลดประสิทธิภาพและการทำงาน

Skin effect ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น ความถี่ ความนำไฟฟ้า ความชุ่มชื้น และรูปร่างของตัวนำ มันสามารถวัดได้โดยใช้พารามิเตอร์ที่เรียกว่าความลึกของผิว ซึ่งคือความลึกใต้ผิวที่ความหนาแน่นของกระแสลดลงเหลือ 37% ของค่าที่ผิว

Skin effect สามารถลดลงได้โดยใช้วิธีการต่าง ๆ เช่น การใช้ตัวนำที่มีความนำไฟฟ้าสูงและมีความชุ่มชื้นต่ำ เส้นผ่านศูนย์กลางหรือพื้นที่ตัดตามขวางที่เล็กลง โครงสร้างเป็นเส้นใยหรือลายบิด รูปร่างเป็นหลอดหรือท่อ การใช้ตัวนำหลายเส้นขนาน หรือลดความถี่

Skin effect เป็นแนวคิดที่สำคัญในวิศวกรรมไฟฟ้าที่มีผลต่อการออกแบบและการวิเคราะห์ของสายส่งและองค์ประกอบอื่น ๆ ที่ใช้กระแสไฟฟ้าสลับ มันควรถูกพิจารณาเมื่อเลือกประเภทและขนาดของตัวนำที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันและความถี่ที่แตกต่างกัน