Epekto ng Balat sa mga Linyang Pampagawa

Tinukoy ang Skin Effect

Ang skin effect sa transmission lines ay ang pangyayari kung saan ang AC current ay nakapokus sa malapit sa ibabaw ng conductor, nagdudulot ng pagtaas ng aktwal na resistance nito.

Ang skin effect ay tinukoy bilang ang tendensiya ng isang AC current na hindi pantay na magbahagi sa cross-section ng isang conductor, kung saan ang density ng current ay pinakamataas malapit sa ibabaw ng conductor at bumababa nang exponential patungo sa core. Ito ang nangangahulugan na ang panloob na bahagi ng conductor ay nagdadala ng mas kaunti na current kaysa sa panlabas na bahagi, na nagresulta sa pagtaas ng aktwal na resistance ng conductor.

Nagbabawas ang skin effect ng available na cross-sectional area para sa pagdaloy ng current, nagdudulot ng pagtaas ng power losses at pagsisiha ng conductor. Ito ay nagbabago ang impedance ng transmission line, na may epekto sa distribution ng voltage at current. Ang epektong ito ay lumalakas sa mas mataas na frequencies, mas malaking diameter ng conductor, at mas mababang conductivity.

Hindi umuunlad ang skin effect sa mga direct current (DC) systems, dahil ang current ay tumutulo nang pantay sa buong cross-section ng conductor. Gayunpaman, sa mga AC systems, lalo na sa mga gumagana sa mataas na frequencies tulad ng radio at microwave systems, maaaring magkaroon ng malaking epekto ang skin effect sa disenyo at pagsusuri ng transmission lines at iba pang components.

Mga Dahilan ng Skin Effect

Dahil sa interaksiyon ng magnetic field na inililikha ng AC current sa conductor mismo. Tulad ng ipinapakita sa larawan sa ibaba, kapag ang AC current ay tumutulo sa pamamagitan ng cylindrical conductor, ito ay naglilikha ng magnetic field sa paligid at loob ng conductor. Ang direksyon at magnitude ng magnetic field na ito ay nagbabago ayon sa frequency at amplitude ng AC current.

Ayon sa Faraday’s law of electromagnetic induction, ang isang nagbabagong magnetic field ay nag-iinduce ng electric field sa isang conductor. Ang electric field na ito, sa kanyang pagkakabanggit, ay nag-iinduce ng isang opposing current sa conductor, na tinatawag na eddy current. Ang mga eddy currents ay sumisirkula sa loob ng conductor at nag-ooppose sa orihinal na AC current.

Mas malakas ang mga eddy currents malapit sa core ng conductor, kung saan may mas maraming magnetic flux linkage sa orihinal na AC current. Kaya, ito ay naglilikha ng mas mataas na opposing electric field at binabawasan ang net current density sa core. Sa kabilang dako, malapit sa ibabaw ng conductor, kung saan may mas kaunti na magnetic flux linkage sa orihinal na AC current, mas mahina ang mga eddy currents at mas mababa ang opposing electric field. Kaya, mas mataas ang net current density sa ibabaw.

Ang fenomenong ito ay nagresulta sa hindi pantay na distribution ng current sa cross-section ng conductor, na may mas maraming current na tumutulo malapit sa ibabaw kaysa sa core. Ito ang kilala bilang skin effect sa transmission lines.

Quantification ng Skin Effect

Maaaring i-quantify ang skin effect gamit ang skin depth o δ (delta), na ang lalim sa ilalim ng ibabaw ng conductor kung saan ang current density ay bumababa sa humigit-kumulang 37% ng halaga nito sa ibabaw. Mas maliit na skin depth ay nagpapahiwatig ng mas malubhang skin effect.

Ang skin depth ay depende sa maraming factor, tulad ng:

Ang frequency ng AC current: Mas mataas na frequency ay nangangahulugan ng mas mabilis na pagbabago ng magnetic field at mas malakas na eddy currents. Kaya, ang skin depth ay bumababa habang tumaas ang frequency.

Ang conductivity ng conductor: Mas mataas na conductivity ay nangangahulugan ng mas mababang resistance at mas madaling pagtulo ng eddy currents. Kaya, ang skin depth ay bumababa habang tumaas ang conductivity.

Ang permeability ng conductor: Mas mataas na permeability ay nangangahulugan ng mas maraming magnetic flux linkage at mas malakas na eddy currents. Kaya, ang skin depth ay bumababa habang tumaas ang permeability.

Ang hugis ng conductor: May iba’t ibang geometrical factors ang iba’t ibang hugis na may epekto sa distribution ng magnetic field at eddy currents. Kaya, ang skin depth ay nag-iiba-iba depende sa iba’t ibang hugis ng conductors.

Ang formula para sa pag-compute ng skin depth para sa cylindrical conductor na may circular cross-section ay:

δ ang skin depth (sa meters)

ω ang angular frequency ng AC current (sa radians per second)

μ ang permeability ng conductor (sa henries per meter)

σ ang conductivity ng conductor (sa siemens per meter)

Halimbawa, para sa copper conductor na may circular cross-section, na gumagana sa 10 MHz, ang skin depth ay:

Ito ang nangangahulugan na lamang ang isang maliit na layer ng 0.066 mm malapit sa ibabaw ng conductor ang nagdadala ng karamihan ng current sa frequency na ito.

Pagbabawas ng Skin Effects

Maaaring magdulot ng maraming problema ang skin effects sa transmission lines, tulad ng:

• Pagtaas ng power losses at pagsisiha ng conductor, na nagbabawas ng efficiency at reliability ng system.

• Pagtaas ng impedance at voltage drop ng transmission line, na may epekto sa kalidad ng signal at delivery ng power.

• Pagtaas ng electromagnetic interference at radiation mula sa transmission line, na maaaring makaapekto sa mga nearby devices at circuits.

Kaya, ito ay dapat na bawasan ang skin effect sa transmission lines hangga't maaari. Ang ilan sa mga paraan na maaaring gamitin upang bawasan ang skin effects ay:

• Paggamit ng mga conductor na may mas mataas na conductivity at mas mababang permeability, tulad ng copper o silver, sa halip na iron o steel.

• Paggamit ng mga conductor na may mas maliit na diameters o cross-sectional areas na nagbabawas ng pagkakaiba sa pagitan ng surface at core current densities.

• Paggamit ng stranded o braided conductors sa halip na solid conductors na nagpapataas ng effective surface area ng conductor at nagbabawas ng eddy currents. Ang isang espesyal na uri ng stranded conductor na tinatawag na litz wire ay disenyo upang makamit ang minimum na skin effect sa pamamagitan ng pag-twist ng strands sa isang paraan na ang bawat strand ay nasa iba’t ibang posisyon sa cross-section sa haba nito.

• Paggamit ng hollow o tubular conductors sa halip na solid conductors na nagbabawas ng timbang at gastos ng conductor nang walang malaking epekto sa performance nito. Ang hollow part ng conductor ay hindi nagdadala ng maraming current dahil sa skin effect, kaya ito ay maaaring alisin nang walang epekto sa pagtulo ng current.

• Paggamit ng multiple parallel conductors sa halip na single conductor na nagpapataas ng effective cross-sectional area ng conductor at nagbabawas ng resistance nito. Ang paraan na ito ay kilala rin bilang bundling o transposition.

• Paggamit ng mas mababang frequency ng AC current na nagpapataas ng skin depth at nagbabawas ng skin effect. Gayunpaman, maaaring hindi ito posible para sa ilang aplikasyon na nangangailangan ng high-frequency signals.

Kasimpulan

Ang skin effect ay isang fenomeno na nangyayari sa transmission lines kapag ang AC current ay tumutulo sa pamamagitan ng conductor. Ito ay nagdudulot ng hindi pantay na distribution ng current sa cross-section ng conductor, na may mas maraming current na tumutulo malapit sa ibabaw kaysa sa core. Ito ay nagpapataas ng aktwal na resistance at impedance ng conductor at nagbabawas ng efficiency at performance nito.

Ang skin effect ay depende sa maraming factor, tulad ng frequency, conductivity, permeability, at hugis ng conductor. Ito ay maaaring i-quantify gamit ang parameter na tinatawag na skin depth, na ang lalim sa ilalim ng ibabaw kung saan ang current density ay bumababa sa 37% ng halaga nito sa ibabaw.

Maaaring bawasan ang skin effect sa pamamagitan ng iba’t ibang paraan, tulad ng paggamit ng mga conductor na may mas mataas na conductivity at mas mababang permeability, mas maliit na diameter o cross-sectional area, stranded o braided structure, hollow o tubular shape, multiple parallel arrangements, o mas mababang frequency.

Ang skin effect ay isang mahalagang konsepto sa electrical engineering na may epekto sa disenyo at pagsusuri ng transmission lines at iba pang components na gumagamit ng AC currents. Dapat itong isaalang-alang sa pagpili ng tamang tipo at laki ng conductors para sa iba’t ibang aplikasyon at frequencies.