Forståelse af Skin-effekten i transmissionsledninger

En overførselslinje er en leder, der bærer elektrisk strøm eller signaler fra et punkt til et andet. Overførselslinjer kan være lavet af forskellige materialer, former og størrelser, afhængigt af anvendelsen og den involverede afstand. Når overførselslinjer dog bruges i vekselstrøms systemer (AC), kan de udvise et fænomen kaldet hud effekten, som påvirker deres ydeevne og effektivitet.

Hvad er Hud Effekten i Overførselslinjer?

Hud effekten defineres som tendensen hos en vekselstrøm til at fordele ulige over krydssektionen af en leder, således at strømtætheden er højst nær leders overflade og falder eksponentielt mod kernen. Dette betyder, at den indre del af lederen bærer mindre strøm end den ydre del, hvilket resulterer i en øget effektiv spændingsfald i lederen.

Hud effekten reducerer den effektive krydssektionsareal af lederen, der er tilgængelig for strømføring, hvilket øger strømtabene og opvarmningen af lederen. Hud effekten forårsager også en ændring i impedancen af overførselslinjen, hvilket påvirker spændingen og strømfordelingen langs linjen. Hud effekten er mere udtalt ved højere frekvenser, større diameterer og lavere ledbarhed af ledere.

Hud effekten forekommer ikke i direkte strøm (DC) systemer, da strømmen flyder jævnt igennem hele krydssektionen af lederen. Men i AC systemer, især dem, der opererer med høje frekvenser som radio- og mikrobølgesystemer, kan hud effekten have betydelige indvirkninger på design og analyse af overførselslinjer og andre komponenter.

Hvad Forårsager Hud Effekten i Overførselslinjer?

Hud effekten forårsages af interaktionen mellem den magnetiske felt, der dannes af vekselstrømmen, og lederen selv. Som vist på figuren nedenfor, når en vekselstrøm flyder gennem en cylindrisk leder, skaber den et magnetfelt omkring og inde i lederen. Retningen og størrelsen af dette magnetfelt ændrer sig i henhold til frekvensen og amplituden af vekselstrømmen.

Ifølge Faradays lov om elektromagnetisk induktion inducerer et ændrende magnetfelt et elektrisk felt i en leder. Dette elektriske felt inducerer i sin tur en modsatrettet strøm i lederen, kaldet en eddystrøm. Eddystrømme cirkulerer inden i lederen og modsætter den originale vekselstrøm.

Eddystrømme er stærkere nær kernen af lederen, hvor de har mere magnetisk flux forbundet med den originale vekselstrøm. Derfor skaber de et højere modsatrettet elektrisk felt og reducerer den netto strømtæthed i kernen. På den anden side, nær overfladen af lederen, hvor der er mindre magnetisk flux forbundet med den originale vekselstrøm, er der svagere eddystrømme og et lavere modsatrettet elektrisk felt. Derfor er der en højere netto strømtæthed på overfladen.

Dette fænomen resulterer i en ulige fordeling af strøm over krydssektionen af lederen, med mere strøm, der flyder nær overfladen end nær kernen. Dette er kendt som hud effekten i overførselslinjer.

Hvordan Kvantificeres Hud Effekten i Overførselslinjer?

En måde at kvantificere hud effekten i overførselslinjer er at bruge en parameter kaldet hud dybde eller δ (delta). Hud dybden defineres som dybden under leders overflade, hvor strømtætheden falder til 1/e (ca. 37%) af dens værdi på overfladen. Jo mindre hud dybden, jo alvorligere er hud effekten.

Hud dybden afhænger af flere faktorer, såsom:

• Frekvensen af vekselstrømmen: Højere frekvens betyder hurtigere ændringer i det magnetiske felt og stærkere eddystrømme. Derfor falder hud dybden, når frekvensen stiger.

• Ledbaredheden af lederen: Højere ledbaredhed betyder lavere modstand og lettere flydning af eddystrømme. Derfor falder hud dybden, når ledbaredheden stiger.

• Permeabiliteten af lederen: Højere permeabilitet betyder mere magnetisk flux forbundet og stærkere eddystrømme. Derfor falder hud dybden, når permeabiliteten stiger.

• Formen af lederen: Forskellige former har forskellige geometriske faktorer, der påvirker det magnetiske felt og eddystrømme. Derfor varierer hud dybden med forskellige former af ledere.

Formlen for at beregne hud dybde for en cylindrisk leder med en cirkulær krydssektion er:

hvor:

• δ er hud dybden (i meter)

• ω er vinkelfrekvensen af vekselstrømmen (i radianer per sekund)

• μ er permeabiliteten af lederen (i henries per meter)

• σ er ledbaredheden af lederen (i siemens per meter)

For eksempel, for en kobberleder med en cirkulær krydssektion, der opererer på 10 MHz, er hud dybden:

Dette betyder, at kun en tynd lag på 0.066 mm nær overfladen af lederen bærer mesteparten af strømmen ved denne frekvens.

Hvordan Reduces Hud Effekten i Overførselslinjer?

Hud effekten kan forårsage flere problemer i overførselslinjer, såsom:

• Øget strømtab og opvarmning af lederen, hvilket reducerer systemets effektivitet og pålidelighed.

• Øget impedans og spændingsfald i overførselslinjen, hvilket påvirker signalkvaliteten og strømforsyningen.

• Øget elektromagnetisk støj og stråling fra overførselslinjen, hvilket kan påvirke nærliggende enheder og kredsløb.

Derfor er det ønskeligt at reducere hud effekten i overførselslinjer så meget som muligt. Nogle af de metoder, der kan bruges til at reducere hud effekten, er:

• Brug af ledere med højere ledbaredhed og lavere permeabilitet, såsom kobber eller sølv, i stedet for jern eller stål.

• Brug af ledere med mindre diameter eller krydssektionsareal, hvilket reducerer forskellen mellem strømtætheden på overfladen og i kernen.

• Brug af strandede eller flidsede ledere i stedet for solide ledere, hvilket øger den effektive overfladeareal af lederen og reducerer eddystrømme. En speciel type stranded leder kaldet litz tråd er designet til at minimere hud effekten ved at dreje strande på en måde, så hver strande befinder sig i forskellige positioner i krydssektionen over dens længde.

• Brug af tomme eller rørformede ledere i stedet for solide ledere, hvilket reducerer ledens vægt og kostpris uden at påvirke dens ydeevne betydeligt. Den tomme del af lederen bærer ikke meget strøm på grund af hud effekten, så den kan fjernes uden at påvirke strømføringen.

• Brug af flere parallelle ledere i stedet for en enkelt leder, hvilket øger den effektive krydssektionsareal af lederen og reducerer dens modstand. Denne metode er også kendt som bundling eller transposition.

• Reducering af frekvensen af vekselstrømmen øger hud dybden og reducerer hud effekten. Dog er dette måske ikke realistisk for nogle anvendelser, der kræver høje frekvenssignaler.

Konklusion

Hud effekten er et fænomen, der forekommer i overførselslinjer, når en vekselstrøm flyder gennem en leder. Det forårsager en ulige fordeling af strøm over krydssektionen af lederen, med mere strøm, der flyder nær overfladen end nær kernen. Dette øger den effektive modstand og impedans af lederen og reducerer dens effektivitet og ydeevne.

Hud effekten afhænger af flere faktorer, såsom frekvens, ledbaredhed, permeabilitet og form af lederen. Den kan kvantificeres ved hjælp af en parameter kaldet hud dybde, som er dybden under overfladen, hvor strømtætheden falder til 37% af dens værdi på overfladen.

Hud effekten kan reduceres ved at bruge forskellige metoder, såsom brug af ledere med højere ledbaredhed og lavere permeabilitet, mindre diameter eller krydssektionsareal, strandede eller flidsede strukturer, tomme eller rørformede former, flere parallelle arrangementer, eller lavere frekvens.

Hud effekten er et vigtigt begreb i elektronik, der påvirker design og analyse af overførselslinjer og andre komponenter, der bruger vekselstrøm. Den skal tages i betragtning, når man vælger den passende type og størrelse af ledere for forskellige anvendelser og frekvenser.

Erklæring: Respektér det originale, godt artikler fortjener at deles, hvis der er krænkelse kontakt til sletning.