Κατανόηση του Φαινομένου Δέρματος σε Γραμμές Μεταφοράς

Μια γραμμή μετάδοσης είναι ένας διαχωρητής που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια ή σήματα από ένα σημείο σε άλλο. Οι γραμμές μετάδοσης μπορούν να κατασκευαστούν από διαφορετικά υλικά, μορφές και μεγέθη, ανάλογα με την εφαρμογή και την απόσταση. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούνται για εναλλασσόμενη συνεχή (AC) συστήματα, μπορεί να εμφανιστεί ένα φαινόμενο που ονομάζεται skin effect, το οποίο επηρεάζει τη λειτουργία και την απόδοσή τους.

Τι είναι το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης?

Το φαινόμενο skin effect ορίζεται ως η τάση ενός AC ρεύματος να διανέμεται μη ομοιόμορφα στην διατομή ενός διαχωρητή, έτσι ώστε η πυκνότητα του ρεύματος να είναι μεγαλύτερη κοντά στην επιφάνεια του διαχωρητή και να μειώνεται εκθετικά προς τον πυρήνα. Αυτό σημαίνει ότι το εσωτερικό μέρος του διαχωρητή μεταφέρει λιγότερο ρεύμα από το εξωτερικό μέρος, αυξάνοντας έτσι την αποτελεσματική αντίσταση του διαχωρητή.

Το φαινόμενο skin effect μειώνει την αποτελεσματική διατομή του διαχωρητή που είναι διαθέσιμη για την ροή του ρεύματος, αυξάνοντας έτσι τις απώλειες ενέργειας και την θέρμανση του διαχωρητή. Το φαινόμενο skin effect προκαλεί επίσης μια αλλαγή στην αντίσταση της γραμμής μετάδοσης, η οποία επηρεάζει την τάση και την κατανομή του ρεύματος κατά μήκος της γραμμής. Το φαινόμενο skin effect είναι πιο εμφανές σε υψηλότερες συχνότητες, μεγαλύτερες διαμέτρους και χαμηλότερες συνεκτικότητες των διαχωρητών.

Το φαινόμενο skin effect δεν εμφανίζεται σε μονόδρομα ρεύματα (DC) συστήματα, επειδή το ρεύμα ρέει ομοιόμορφα σε όλη τη διατομή του διαχωρητή. Ωστόσο, σε AC συστήματα, ειδικά εκείνα που λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες, όπως ραδιοφωνικά και μικροκυματικά συστήματα, το φαινόμενο skin effect μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις στο σχεδιασμό και την ανάλυση των γραμμών μετάδοσης και άλλων συστατικών.

Τι προκαλεί το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης?

Το φαινόμενο skin effect προκαλείται από την αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από το AC ρεύμα με τον διαχωρητή. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, όταν ένα AC ρεύμα ρέει μέσα σε έναν κυλινδρικό διαχωρητή, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από και μέσα στον διαχωρητή. Η κατεύθυνση και η μέγεθος αυτού του μαγνητικού πεδίου αλλάζουν σύμφωνα με τη συχνότητα και την ένταση του AC ρεύματος.

Σύμφωνα με το νόμο του Faraday για την ηλεκτρομαγνητική επαναφορά, ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο σε έναν διαχωρητή. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο, αντιστρόφως, παράγει ένα αντίθετο ρεύμα στον διαχωρητή, που ονομάζεται eddy current. Τα eddy currents κυκλοφορούν μέσα στον διαχωρητή και αντιτίθενται στο αρχικό AC ρεύμα.

Τα eddy currents είναι ισχυρότερα κοντά στον πυρήνα του διαχωρητή, όπου έχουν περισσότερη μαγνητική φλέξη συνδεδεμένη με το αρχικό AC ρεύμα. Συνεπώς, δημιουργούν ένα υψηλότερο αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο και μειώνουν την κατά κύριο λόγο πυκνότητα του ρεύματος στον πυρήνα. Από την άλλη, κοντά στην επιφάνεια του διαχωρητή, όπου υπάρχει λιγότερη μαγνητική φλέξη συνδεδεμένη με το αρχικό AC ρεύμα, υπάρχουν αδύναμα eddy currents και χαμηλότερο αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο. Συνεπώς, υπάρχει μια υψηλότερη κατά κύριο λόγο πυκνότητα του ρεύματος στην επιφάνεια.

Αυτό το φαινόμενο αποτελεί σε μη ομοιόμορφη κατανομή του ρεύματος στη διατομή του διαχωρητή, με περισσότερο ρεύμα να ρέει κοντά στην επιφάνεια από τον πυρήνα. Αυτό είναι γνωστό ως το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης.

Πώς να μετρηθεί το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης?

Ένας τρόπος για να μετρηθεί το φαινόμενο skin effect στις γραμμές μετάδοσης είναι να χρησιμοποιηθεί ένας παράμετρος που ονομάζεται βάθος skin ή δ (δέλτα). Το βάθος skin ορίζεται ως το βάθος κάτω από την επιφάνεια του διαχωρητή όπου η πυκνότητα του ρεύματος μειώνεται στο 1/e (περίπου 37%) της τιμής της στην επιφάνεια. Το μικρότερο το βάθος skin, το πιο σοβαρό το φαινόμενο skin effect.

Το βάθος skin εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως:

• Η συχνότητα του AC ρεύματος: Υψηλότερη συχνότητα σημαίνει γρηγορότερες αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο και ισχυρότερα eddy currents. Συνεπώς, το βάθος skin μειώνεται όσο η συχνότητα αυξάνεται.

• Η συνεκτικότητα του διαχωρητή: Υψηλότερη συνεκτικότητα σημαίνει χαμηλότερη αντίσταση και ευκολότερη ροή eddy currents. Συνεπώς, το βάθος skin μειώνεται όσο η συνεκτικότητα αυξάνεται.

• Η μεταβατικότητα του διαχωρητή: Υψηλότερη μεταβατικότητα σημαίνει περισσότερη μαγνητική φλέξη και ισχυρότερα eddy currents. Συνεπώς, το βάθος skin μειώνεται όσο η μεταβατικότητα αυξάνεται.

• Η μορφή του διαχωρητή: Διαφορετικές μορφές έχουν διαφορετικούς γεωμετρικούς παράγοντες που επηρεάζουν την κατανομή του μαγνητικού πεδίου και των eddy currents. Συνεπώς, το βάθος skin μεταβάλλεται με διαφορετικές μορφές διαχωρητών.

Η τύπος για τον υπολογισμό του βάθους skin για έναν κυλινδρικό διαχωρητή με κυκλική διατομή είναι:

όπου:

• δ είναι το βάθος skin (σε μέτρα)

• ω είναι η γωνιακή συχνότητα του AC ρεύματος (σε ραδιανα ανά δευτερόλεπτο)

• μ είναι η μεταβατικότητα του διαχωρητή (σε Χένρι ανά μέτρο)

• σ είναι η συνεκτικότητα του διαχωρητή (σε Σιμενς ανά μέτρο)

Για παράδειγμα, για έναν διαχωρητή από χαλκό με κυκλική διατομή, λειτουργώντας σε 10 MHz, το βάθος skin είναι:

Αυτό σημαίνει ότι μόνο ένας λεπτός στρώματος 0.066 mm κοντά στην επιφάνεια του διαχωρητή μεταφέρει το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος σε αυτή τη συχνότητα.

Φιλοδώρημα