فهم تأثير الجلد في خطوط النقل

خط النقل هو موصل يحمل الطاقة الكهربائية أو الإشارات من نقطة إلى أخرى. يمكن أن تكون خطوط النقل مصنوعة من مواد وأشكال وأحجام مختلفة، اعتمادًا على التطبيق والمسافة المعنية. ومع ذلك، عندما يتم استخدام خطوط النقل لنظم التيار المتناوب (AC)، قد تظهر ظاهرة تسمى تأثير الجلد، مما يؤثر على أدائها وكفاءتها.

ما هو تأثير الجلد في خطوط النقل؟

يُعرَّف تأثير الجلد بأنه ميل التيار المتناوب للتوزيع بشكل غير متساوٍ عبر مقطع الموصل، بحيث يكون كثافة التيار أعلى بالقرب من سطح الجلد للموصل ويقل بشكل أساسي نحو اللب. هذا يعني أن الجزء الداخلي للموصل يحمل تيارًا أقل من الجزء الخارجي، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الفعالة للموصل.

يقلل تأثير الجلد من المساحة العرضية الفعالة للموصل المتاحة لتدفق التيار، مما يزيد من خسائر الطاقة وتسخين الموصل. كما يسبب تأثير الجلد تغييرًا في الممانعة لخط النقل، مما يؤثر على توزيع الجهد والتيار على طول الخط. يكون تأثير الجلد أكثر وضوحًا عند الترددات الأعلى والأقطار الأكبر والпроводية الأقل للموصلات.

لا يحدث تأثير الجلد في نظم التيار المستمر (DC)، لأن التيار يتدفق بشكل موحد عبر مقطع الموصل. ومع ذلك، في نظم التيار المتناوب، خاصة تلك التي تعمل بترددات عالية مثل أنظمة الراديو والميكروويف، يمكن أن يكون لتأثير الجلد تأثيرات كبيرة على تصميم وتحليل خطوط النقل والمكونات الأخرى.

ما الذي يسبب تأثير الجلد في خطوط النقل؟

يحدث تأثير الجلد بسبب التفاعل بين الحقل المغناطيسي الذي يولده التيار المتناوب والموصل نفسه. كما هو موضح في الشكل أدناه، عندما يتدفق تيار متناوب عبر موصل أسطواني، فإنه يخلق حقلًا مغناطيسيًا حول وداخل الموصل. تتغير اتجاه ومقدار هذا الحقل المغناطيسي وفقًا لتردد وسعة التيار المتناوب.

وفقًا لقانون فارادي للإثارة الكهرومغناطيسية، ينتج عن تغير الحقل المغناطيسي حقل كهربائي في الموصل. ينتج هذا الحقل الكهربائي بدوره تيارًا معارضة في الموصل، يُعرف باسم التيار الحلزوني. تدور التيارات الحلزونية داخل الموصل وتعارض التيار المتناوب الأصلي.

تكون التيارات الحلزونية أقوى بالقرب من مركز الموصل، حيث يكون لديها ربط مغناطيسي أكبر مع التيار المتناوب الأصلي. لذلك، تخلق حقلًا كهربائيًا معارضًا أعلى وتقلل من كثافة التيار الصافية في المركز. على الجانب الآخر، بالقرب من سطح الموصل، حيث يكون هناك ربط مغناطيسي أقل مع التيار المتناوب الأصلي، تكون التيارات الحلزونية أضعف والحقل الكهربائي المعارض أقل. لذلك، تكون كثافة التيار الصافية أعلى على السطح.

يؤدي هذا الظاهرة إلى توزيع غير متساوٍ للتيار عبر مقطع الموصل، مع تدفق تيار أكبر بالقرب من السطح من المركز. وهذا ما يعرف بتأثير الجلد في خطوط النقل.

كيف يمكن قياس تأثير الجلد في خطوط النقل؟

إحدى الطرق لقياس تأثير الجلد في خطوط النقل هي استخدام معلمة تسمى عمق الجلد أو δ (دلتا). يُعرَّف عمق الجلد بأنه العمق تحت سطح الموصل حيث تنخفض كثافة التيار إلى 1/e (حوالي 37%) من قيمتها على السطح. كلما كان عمق الجلد أصغر، كان تأثير الجلد أكثر حدة.

يعتمد عمق الجلد على عدة عوامل، مثل:

• تردد التيار المتناوب: كلما زاد التردد، كان التغيير في الحقل المغناطيسي أسرع والتيارات الحلزونية أقوى. لذلك، يقل عمق الجلد مع زيادة التردد.

• الпроводية للموصل: كلما زادت الوصلة، كانت المقاومة أقل وتدفق التيار الحلزوني أسهل. لذلك، يقل عمق الجلد مع زيادة الوصلة.

• النفاذية للموصل: كلما زادت النفاذية، كان الربط المغناطيسي أكبر والتيارات الحلزونية أقوى. لذلك، يقل عمق الجلد مع زيادة النفاذية.

• شكل الموصل: تختلف الأشكال في العوامل الهندسية التي تؤثر في توزيع الحقل المغناطيسي والتيارات الحلزونية. لذلك، يختلف عمق الجلد باختلاف أشكال الموصلات.

الصيغة لحساب عمق الجلد لموصل أسطواني بمقطع دائري هي:

حيث:

• δ هو عمق الجلد (بالمتر)

• ω هو التردد الزاوي للتيار المتناوب (بالراديان في الثانية)

• μ هي النفاذية للموصل (بوحدة هنري لكل متر)

• σ هي الوصلة للموصل (بوحدة سيمنز لكل متر)

على سبيل المثال، لموصل مصنوع من النحاس بمقطع دائري، يعمل بتردد 10 ميجاهرتز، فإن عمق الجلد هو:

وهذا يعني أن طبقة رقيقة بسمك 0.066 ملم بالقرب من سطح الموصل تحمل معظم التيار عند هذا التردد.

كيف يمكن تقليل تأثير الجلد في خطوط النقل؟

يمكن أن يتسبب تأثير الجلد في العديد من المشاكل في خطوط النقل، مثل:

• زيادة خسائر الطاقة وتسخين الموصل، مما يقلل من كفاءة وموثوقية النظام.

• زيادة الممانعة وانخفاض الجهد لخط النقل، مما يؤثر على جودة الإشارة وتسليم الطاقة.

• زيادة التداخل الكهرومغناطيسي والإشعاع من خط النقل، مما يمكن أن يؤثر على الأجهزة والدوائر القريبة.

لذلك، من المرغوب تقليل تأثير الجلد في خطوط النقل قدر الإمكان. بعض الطرق التي يمكن استخدامها لتقليل تأثير الجلد هي:

• استخدام موصلات ذات وصلة أعلى ونفاذية أقل، مثل النحاس أو الفضة، بدلاً من الحديد أو الفولاذ.

• استخدام موصلات ذات قطر أصغر أو مساحة مقطع أصغر لتقليل الفرق بين كثافات التيار على السطح وفي اللب.

• استخدام موصلات متعددة الخيوط أو مشذبة بدلاً من موصلات صلبة لزيادة المساحة السطحية الفعالة للموصل وتقليل التيارات الحلزونية. نوع خاص من الموصلات المتعددة الخيوط يسمى سلك ليتز مصمم لتقليل تأثير الجلد بتقليب الخيوط بطريقة تجعل كل خيط يحتل مواقع مختلفة في المقطع العرضي على طوله.

• استخدام موصلات فارغة أو أنابيبية بدلاً من موصلات صلبة لتقليل وزن وتكلفة الموصل دون التأثير بشكل كبير على أدائه. الجزء الفارغ من الموصل لا يحمل الكثير من التيار بسبب تأثير الجلد، لذا يمكن إزالته دون التأثير على تدفق التيار.

• استخدام موصلات متعددة متوازية بدلاً من موصل واحد لزيادة المساحة العرضية الفعالة للموصل وتقليل مقاومته. هذه الطريقة تُعرف أيضًا بالتجميع أو التحويل.

• تقليل تردد التيار المتناوب يزيد من عمق الجلد ويقلل من تأثير الجلد. ومع ذلك، قد لا يكون هذا ممكنًا لبعض التطبيقات التي تتطلب إشارات عالية التردد.

الخاتمة

تأثير الجلد هو ظاهرة تحدث في خطوط النقل عندما يتدفق تيار متناوب عبر موصل. يسبب توزيعًا غير متساوٍ للتيار عبر مقطع الموصل، مع تدفق تيار أكبر بالقرب من السطح من المركز. هذا يزيد من المقاومة الفعالة والممانعة للموصل ويقلل من كفاءته وأدائه.

يعتمد تأثير الجلد على عدة عوامل، مثل التردد والوصلة والنفاذية وشكل الموصل. يمكن قياسه باستخدام معلمة تسمى عمق الجلد، وهو العمق تحت السطح حيث تنخفض كثافة التيار إلى 37% من قيمتها على السطح.

يمكن تقليل تأثير الجلد باستخدام عدة طرق، مثل استخدام موصلات ذات وصلة أعلى ونفاذية أقل، قطر أصغر أو مساحة مقطع أصغر، بنية متعددة الخيوط أو مشذبة، شكل فارغ أو أنبوبي، ترتيب متوازي متعدد، أو تردد أقل.

تأثير الجلد هو مفهوم مهم في الهندسة الكهربائية يؤثر على تصميم وتحليل خطوط النقل والمكونات الأخرى التي تستخدم التيار المتناوب. يجب مراعاته عند اختيار النوع والحجم المناسبين للموصلات لتطبيقات وتrequencies مختلفة.

بيان: احترام الأصل، المقالات الجيدة مستحقة للنشر، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى الاتصال للحذف.