Entenent del efecte pell en les línies d'enviament

Una línia d'enviament és un conductor que porta energia elèctrica o senyals d'un punt a un altre. Les línies d'enviament poden estar fetes de diferents materials, formes i mides, depenent de l'aplicació i la distància implicada. Tanmateix, quan es fan servir línies d'enviament per a sistemes d' corrent altern (CA), poden manifestar un fenomen anomenat efecte de la pell, que afecta el seu rendiment i eficiència.

Què és l'efecte de la pell en les línies d'enviament?

L'efecte de la pell es defineix com la tendència d'una corrent CA a distribuir-se de manera desigual sobre la secció transversal d'un conductor, de tal manera que la densitat de corrent és més alta prop de la superfície del conductor i disminueix exponencialment cap al nucli. Això vol dir que la part interna del conductor porta menys corrent que la part externa, resultant en una resistència efectiva augmentada del conductor.

L'efecte de la pell reduïx l'àrea transversal efectiva del conductor disponible per al flux de corrent, cosa que augmenta les pèrdues de potència i el calentament del conductor. L'efecte de la pell també provoca un canvi en la impedància de la línia d'enviament, que afecta la tensió i la distribució de corrent a la línia. L'efecte de la pell és més pronunciat a freqüències més altes, diàmetres més grans i conductivitats més baixes dels conductors.

L'efecte de la pell no ocorre en sistemes de corrent contínua (CC), ja que la corrent flueix uniformement a través de la secció transversal del conductor. Tanmateix, en sistemes CA, especialment aquells que operen a freqüències altes com els sistemes de ràdio i microones, l'efecte de la pell pot tenir impacts significatius en el disseny i l'anàlisi de les línies d'enviament i altres components.

Què causa l'efecte de la pell en les línies d'enviament?

L'efecte de la pell és causat per la interacció del camp magnètic generat per la corrent CA amb el conductor mateix. Com es mostra en la figura següent, quan una corrent CA flueix a través d'un conductor cilíndric, crea un camp magnètic al voltant i dins del conductor. La direcció i la magnitud d'aquest camp magnètic canvien segons la freqüència i l'amplitud de la corrent CA.

Segons la llei de Faraday de l'inducció electromagnètica, un camp magnètic que canvia induix un camp elèctric en un conductor. Aquest camp elèctric, a la vegada, induix una corrent oposada en el conductor, anomenada corrent de Foucault. Les corrents de Foucault circulen dins del conductor i s'oposen a la corrent CA original.

Les corrents de Foucault són més fortes prop del nucli del conductor, on tenen més enllaç de flux magnètic amb la corrent CA original. Per tant, creen un camp elèctric oposat més elevat i reduïxen la densitat de corrent neta al nucli. D'altra banda, prop de la superfície del conductor, on hi ha menys enllaç de flux magnètic amb la corrent CA original, hi ha corrents de Foucault més febles i un camp elèctric oposat més baix. Per tant, hi ha una densitat de corrent neta més elevada a la superfície.

Aquest fenomen resulta en una distribució desigual de corrent sobre la secció transversal del conductor, amb més corrent fluixant prop de la superfície que prop del nucli. Això és conegut com a efecte de la pell en les línies d'enviament.

Com quantificar l'efecte de la pell en les línies d'enviament?

Una manera de quantificar l'efecte de la pell en les línies d'enviament és utilitzar un paràmetre anomenat profunditat de la pell o δ (delta). La profunditat de la pell es defineix com la profunditat a sota de la superfície del conductor on la densitat de corrent disminueix a 1/e (aproximadament 37%) del seu valor a la superfície. Quan més petita sigui la profunditat de la pell, més sever serà l'efecte de la pell.

La profunditat de la pell depèn de diversos factors, com:

• La freqüència de la corrent CA: Una freqüència més alta significa canvis més ràpids en el camp magnètic i corrents de Foucault més fortes. Per tant, la profunditat de la pell disminueix quan la freqüència augmenta.

• La conductivitat del conductor: Una conductivitat més alta significa una resistència més baixa i un flux més fàcil de les corrents de Foucault. Per tant, la profunditat de la pell disminueix quan la conductivitat augmenta.

• La permeabilitat del conductor: Una permeabilitat més alta significa més enllaç de flux magnètic i corrents de Foucault més fortes. Per tant, la profunditat de la pell disminueix quan la permeabilitat augmenta.

• La forma del conductor: Diferents formes tenen factors geomètrics diferents que afecten la distribució del camp magnètic i les corrents de Foucault. Per tant, la profunditat de la pell varia amb diferents formes de conductors.

La fórmula per calcular la profunditat de la pell per a un conductor cilíndric amb secció circular és:

on:

• δ és la profunditat de la pell (en metres)

• ω és la freqüència angular de la corrent CA (en radians per segon)

• μ és la permeabilitat del conductor (en henries per metre)

• σ és la conductivitat del conductor (en siemens per metre)

Per exemple, per a un conductor de cobre amb secció circular, operant a 10 MHz, la profunditat de la pell és:

Això significa que només una capa fina de 0,066 mm prop de la superfície del conductor porta la major part de la corrent a aquesta freqüència.

Com reduir l'efecte de la pell en les línies d'enviament?

L'efecte de la pell pot causar diversos problemes en les línies d'enviament, com:

• Pèrdues de potència i calentament augmentats del conductor, que redueixen l'eficiència i la fiabilitat del sistema.

• Impedància i caiguda de tensió augmentades de la línia d'enviament, que afecten la qualitat del senyal i la distribució de potència.

• Interferència electromagnètica i radiació augmentades de la línia d'enviament, que poden afectar dispositius i circuits propers.

Per tant, és desitjable reduir l'efecte de la pell en les línies d'enviament tant com sigui possible. Algunes de les mètodes que es poden utilitzar per reduir l'efecte de la pell són:

• Utilitzar conductors amb conductivitat més elevada i permeabilitat més baixa, com el cobre o l'argent, en lloc de ferro o acer.

• Utilitzar conductors amb diàmetres o àrees transversals més petites, que redueixen la diferència entre les densitats de corrent a la superfície i al nucli.

• Utilitzar conductors trenquits o trenzats en lloc de conductors sòlids, que augmenten l'àrea superficial efectiva del conductor i redueixen les corrents de Foucault. Un tipus especial de conductor trenquit anomenat fil litz està dissenyat per minimitzar l'efecte de la pell girant els fils d'una manera que cada fil ocupa diferents posicions en la secció transversal a lo llarg de la seva longitud.

• Utilitzar conductors buits o tubulars en lloc de conductors sòlids, que redueixen el pes i el cost del conductor sense afectar significativament el seu rendiment. La part buida del conductor no porta gaire corrent degut a l'efecte de la pell, així que es pot eliminar sense afectar el flux de corrent.

• Utilitzar múltiples conductors paral·lels en lloc d'un sol conductor, que augmenten l'àrea transversal efectiva del conductor i redueixen la seva resistència. Aquest mètode també és conegut com a bundling o transposició.

• Reduir la freqüència de la corrent CA, que augmenta la profunditat de la pell i redueix l'efecte de la pell. No obstant això, això pot no ser factible per a algunes aplicacions que requereixen senyals de freqüència alta.

Conclusió

L'efecte de la pell és un fenomen que ocorre en les línies d'enviament quan una corrent CA flueix a través d'un conductor. Provoca una distribució desigual de corrent sobre la secció transversal del conductor, amb més corrent fluixant prop de la superfície que prop del nucli. Això augmenta la resistència i l'impedància efectives del conductor i redueix la seva eficiència i rendiment.

L'efecte de la pell depèn de diversos factors, com la freqüència, la conductivitat, la permeabilitat i la forma del conductor. Es pot quantificar utilitzant un paràmetre anomenat profunditat de la pell, que és la profunditat a sota de la superfície on la densitat de corrent disminueix a 37% del seu valor a la superfície.

L'efecte de la pell es pot reduir utilitzant diversos mètodes, com utilitzar conductors amb conductivitat més elevada i permeabilitat més baixa, diàmetres o àrees transversals més petites, estructura trenquida o trenzada, forma buida o tubular, disposicions paral·leles múltiples, o freqüència més baixa.

L'efecte de la pell és un concepte important en l'enginyeria elèctrica que afecta el disseny i l'anàlisi de les línies d'enviament i altres components que utilitzen corrents CA. S'hauria de tenir en compte quan es trien els tipus i mides adequats de conductors per a diferents aplicacions i freqüències.

Declaració: Respecteu el original, els bons articles mereixen ser compartits, si hi ha infracció de drets contacteu per eliminar.