Ефект шкіри в лініях передачі

Визначення ефекту шкіри

Ефект шкіри в лініях передачі - це явище, при якому постійний струм концентрується біля поверхні провідника, збільшуючи його ефективну опір.

Ефект шкіри визначається тенденцією постійного струму нерівномірно розподілятися по поперечному перерізу провідника, так що густинна струму найвища біля поверхні провідника і зменшується експоненціально до середини. Це означає, що внутрішня частина провідника несе менше струму, ніж зовнішня, що призводить до збільшення ефективного опору провідника.

Ефект шкіри зменшує доступну площу поперечного перерізу для потоку струму, збільшуючи втрати енергії та нагрівання провідника. Він змінює імпеданс лінії передачі, впливаючи на розподіл напруги та струму. Цей ефект посилюється зі збільшенням частот, діаметра провідника та зменшенням провідності.

Ефект шкіри не відбувається в системах постійного струму (DC), оскільки струм рівномірно протікає через поперечний переріз провідника. Однак, в системах постійного струму, особливо тих, що працюють на високих частотах, таких як радіо- та мікрохвильові системи, ефект шкіри може мати значний вплив на проектування та аналіз ліній передачі та інших компонентів.

Причини ефекту шкіри

Ефект шкіри викликається взаємодією магнітного поля, утвореного постійним струмом, з провідником. Як показано на рисунку нижче, коли постійний струм протікає через циліндричний провідник, він створює магнітне поле навколо та всередині провідника. Напрямок та величина цього магнітного поля змінюються відповідно до частоти та амплітуди постійного струму.

Згідно з законом Фарадея електромагнітної індукції, змінне магнітне поле викликає електричне поле в провіднику. Це електричне поле, в свою чергу, викликає протилежний струм в провіднику, відомий як завихряючий струм. Завихряючі струми циркулюють всередині провідника і протидіють оригінальному постійному струму.

Завихряючі струми сильніші біля середини провідника, де вони мають більше магнітного зв'язку з оригінальним постійним струмом. Тому вони створюють більше протилежне електричне поле і зменшують загальну густину струму в середині. З іншого боку, біля поверхні провідника, де є менше магнітного зв'язку з оригінальним постійним струмом, завихряючі струми слабкіші, а протилежне електричне поле нижче. Тому загальна густинна струму біля поверхні вища.

Це явище призводить до нерівномірного розподілу струму по поперечному перерізу провідника, з більшою кількістю струму, що протікає біля поверхні, ніж біля середини. Це відомо як ефект шкіри в лініях передачі.

Кількісна характеристика ефекту шкіри

Ефект шкіри можна кількісно охарактеризувати за допомогою глибини шкіри або δ (дельта), яка є глибиною під поверхнею провідника, де густина струму зменшується до приблизно 37% від її значення на поверхні. Менша глибина шкіри вказує на більш виражений ефект шкіри.

Глибина шкіри залежить від ряду факторів, таких як:

Частота постійного струму: Вища частота означає швидкіші зміни магнітного поля та сильніші завихряючі струми. Тому глибина шкіри зменшується зі зростанням частоти.

Провідність провідника: Вища провідність означає нижчу опір і легший потік завихряючих струмів. Тому глибина шкіри зменшується зі зростанням провідності.

Проникність провідника: Вища проникність означає більше магнітного зв'язку та сильніші завихряючі струми. Тому глибина шкіри зменшується зі зростанням проникності.

Форма провідника: Різні форми мають різні геометричні фактори, які впливають на розподіл магнітного поля та завихряючих струмів. Тому глибина шкіри змінюється з різними формами провідників.

Формула для обчислення глибини шкіри для циліндричного провідника з круглим поперечним перерізом:

δ - глибина шкіри (у метрах)

ω - кутова частота постійного струму (у радіанах за секунду)

μ - проникність провідника (у генрі на метр)

σ - провідність провідника (у сіменсах на метр)

Наприклад, для медного провідника з круглим поперечним перерізом, що працює на частоті 10 МГц, глибина шкіри становить:

Це означає, що лише тонкий шар 0,066 мм біля поверхні провідника несе більшість струму на цій частоті.

Зменшення ефекту шкіри

Ефект шкіри може спричинити ряд проблем в лініях передачі, таких як:

• Збільшення втрат енергії та нагрівання провідника, що зменшує ефективність та надійність системи.

• Збільшення імпедансу та падіння напруги в лінії передачі, що впливає на якість сигналу та передачу енергії.

• Збільшення електромагнітних втручань та радіації від лінії передачі, що може впливати на поручні пристрої та схеми.

Тому бажано якомога більше зменшити ефект шкіри в лініях передачі. Деякі методи, які можна використовувати для зменшення ефекту шкіри, включають:

• Використання провідників з вищою провідністю та нижчою проникністю, таких як мідь або срібло, замість заліза або сталі.

• Використання провідників з меншим діаметром або поперечним перерізом зменшує різницю між густиною струму на поверхні та в середині.

• Використання складених або плесених провідників замість цілих збільшує ефективну поверхню провідника та зменшує завихряючі струми. Специфічний тип складеного провідника, відомий як litz wire, спроектований для мінімізації ефекту шкіри, путем закручування стрічок таким чином, щоб кожна стрічка займала різні позиції в поперечному перерізі на своїй довжині.

• Використання порожніх або трубчастих провідників замість цілих зменшує вагу та вартість провідника без значного впливу на його продуктивність. Порожня частина провідника не несе багато струму через ефект шкіри, тому її можна видалити без впливу на потік струму.

• Використання кількох паралельних провідників замість одного збільшує ефективну площу поперечного перерізу провідника та зменшує його опір. Цей метод також відомий як пакування або транспозиція.

• Зменшення частоти постійного струму збільшує глибину шкіри та зменшує ефект шкіри. Однак, це може бути неможливим для деяких застосувань, які потребують високочастотних сигналів.

Висновок

Ефект шкіри - це явище, що відбувається в лініях передачі, коли постійний струм протікає через провідник. Він призводить до нерівномірного розподілу струму по поперечному перерізу провідника, з більшою кількістю струму, що протікає біля поверхні, ніж біля середини. Це збільшує ефективну опір та імпеданс провідника та зменшує його ефективність та продуктивність.

Ефект шкіри залежить від ряду факторів, таких як частота, провідність, проникність та форма провідника. Його можна кількісно охарактеризувати за допомогою параметра, відомого як глибина шкіри, яка є глибиною під поверхнею, де густина струму зменшується до 37% від її значення на поверхні.

Ефект шкіри можна зменшити за допомогою різних методів, таких як використання провідників з вищою провідністю та нижчою проникністю, меншим діаметром або поперечним перерізом, складеною або плесеною структурою, порожньою або трубчастою формою, кількома паралельними розташуваннями або нижчою частотою.

Ефект шкіри - це важливе поняття в електротехніці, яке впливає на проектування та аналіз ліній передачі та інших компонентів, що використовують постійний струм. Його слід враховувати при виборі відповідного типу та розміру провідників для різних застосувань та частот.