فهمندنی اثر پوست در خطوط انتقال

خط انتقال می‌باشد یک رسانا که انرژی الکتریکی یا سیگنال‌ها را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌کند. خطوط انتقال می‌توانند از مواد مختلف، شکل‌ها و اندازه‌های متفاوت ساخته شوند، بسته به کاربرد و فاصله مورد نظر. با این حال، هنگامی که خطوط انتقال برای سیستم‌های متناوب (AC) استفاده می‌شوند، ممکن است پدیده‌ای به نام اثر پوستی رخ دهد که عملکرد و کارایی آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

چهارچوب اثر پوستی در خطوط انتقال؟

اثر پوستی به تمایل جریان AC برای توزیع نامتقارن در سطح مقطع یک رسانا اشاره دارد، به طوری که چگالی جریان در نزدیکی سطح پوست رسانا بیشترین مقدار خود را دارد و به صورت نمایی به سمت مرکز کاهش می‌یابد. این بدان معناست که بخش داخلی رسانا جریان کمتری نسبت به بخش خارجی حمل می‌کند، که منجر به افزایش مقاومت مؤثر رسانا می‌شود.

اثر پوستی مساحت مؤثر مقطع رسانا را که برای جریان جریان می‌آید کاهش می‌دهد، که باعث افزایش ضایعات توان و گرم شدن رسانا می‌شود. اثر پوستی همچنین باعث تغییر در امپدانس خط انتقال می‌شود، که تأثیر بر توزیع ولتاژ و جریان در طول خط می‌گذارد. اثر پوستی در فرکانس‌های بالاتر، قطرهای بزرگتر و هدایت‌پذیری پایین‌تر رساناها بیشتر مشهود است.

اثر پوستی در سیستم‌های مستقیم (DC) رخ نمی‌دهد، زیرا جریان به صورت یکنواخت در سراسر مقطع رسانا جریان می‌یابد. با این حال، در سیستم‌های AC، به ویژه آنهایی که در فرکانس‌های بالا مانند رادیو و مایکروویو کار می‌کنند، اثر پوستی می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر طراحی و تحلیل خطوط انتقال و مولفه‌های دیگر داشته باشد.

چه چیزی اثر پوستی در خطوط انتقال را ایجاد می‌کند؟

اثر پوستی توسط تعامل میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان AC با خود رسانا ایجاد می‌شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، وقتی جریان AC از یک رسانای استوانه‌ای می‌گذرد، میدان مغناطیسی در اطراف و درون رسانا ایجاد می‌شود. جهت و مقدار این میدان مغناطیسی با فرکانس و دامنه جریان AC تغییر می‌کند.

بر اساس قانون فارادی القای الکترومغناطیسی، میدان مغناطیسی متغیر یک میدان الکتریکی در یک رسانا القا می‌کند. این میدان الکتریکی، به نوبه خود، جریان مخالفی را در رسانا القا می‌کند که به آن جریان ادی نامیده می‌شود. جریان‌های ادی درون رسانا می‌چرخند و جریان AC اصلی را مخالفت می‌کنند.

جریان‌های ادی در نزدیکی مرکز رسانا قوی‌تر هستند، جایی که آن‌ها با جریان AC اصلی پیوند مغناطیسی بیشتری دارند. بنابراین، آن‌ها میدان الکتریکی مخالف بیشتری ایجاد می‌کنند و چگالی جریان خالص در مرکز را کاهش می‌دهند. از طرف دیگر، در نزدیکی سطح رسانا، جایی که پیوند مغناطیسی کمتری با جریان AC اصلی وجود دارد، جریان‌های ادی ضعیف‌تر هستند و میدان الکتریکی مخالف کمتری دارند. بنابراین، چگالی جریان خالص در سطح بیشتر است.

این پدیده منجر به توزیع نامتقارن جریان در سطح مقطع رسانا می‌شود، با جریان بیشتر در نزدیکی سطح نسبت به مرکز. این پدیده به عنوان اثر پوستی در خطوط انتقال شناخته می‌شود.

چگونه می‌توان اثر پوستی در خطوط انتقال را کمی کرد؟

یک روش برای کمی کردن اثر پوستی در خطوط انتقال استفاده از یک پارامتر به نام عمق پوست یا δ (دلتا) است. عمق پوست به عنوان عمق زیر سطح رسانا تعریف می‌شود که چگالی جریان به 1/e (حدود 37٪) از مقدار آن در سطح کاهش می‌یابد. هرچه عمق پوست کوچک‌تر باشد، اثر پوستی شدیدتر است.

عمق پوست به چندین عامل بستگی دارد، از جمله:

• فرکانس جریان AC: فرکانس بالاتر به معنای تغییرات سریع‌تر در میدان مغناطیسی و جریان‌های ادی قوی‌تر است. بنابراین، با افزایش فرکانس، عمق پوست کاهش می‌یابد.

• هدایت‌پذیری رسانا: هدایت‌پذیری بالاتر به معنای مقاومت کمتر و جریان آسان‌تر جریان‌های ادی است. بنابراین، با افزایش هدایت‌پذیری، عمق پوست کاهش می‌یابد.

• تراوایی مغناطیسی رسانا: تراوایی مغناطیسی بالاتر به معنای پیوند مغناطیسی بیشتر و جریان‌های ادی قوی‌تر است. بنابراین، با افزایش تراوایی مغناطیسی، عمق پوست کاهش می‌یابد.

• شکل رسانا: شکل‌های مختلف دارای عوامل هندسی متفاوتی هستند که تأثیر بر توزیع میدان مغناطیسی و جریان‌های ادی دارند. بنابراین، عمق پوست با شکل‌های مختلف رسانا متفاوت است.

فرمول محاسبه عمق پوست برای یک رسانای استوانه‌ای با مقطع دایره‌ای به صورت زیر است:

که در آن:

• δ عمق پوست (در متر) است

• ω فرکانس زاویه‌ای جریان AC (در رادیان بر ثانیه) است

• μ تراوایی مغناطیسی رسانا (در هنری بر متر) است

• σ هدایت‌پذیری رسانا (در سیمنز بر متر) است

به عنوان مثال، برای یک رسانای مس با مقطع دایره‌ای، کارکرد در 10 MHz، عمق پوست به صورت زیر است:

این بدان معناست که فقط لایه نازکی به ضخامت 0.066 میلی‌متر در نزدیکی سطح رسانا بیشترین جریان را در این فرکانس حمل می‌کند.

چگونه می‌توان اثر پوستی در خطوط انتقال را کاهش داد؟

اثر پوستی می‌تواند چندین مشکل در خطوط انتقال ایجاد کند، از جمله:

• افزایش ضایعات توان و گرم شدن رسانا، که کارایی و قابلیت اطمینان سیستم را کاهش می‌دهد.

• افزایش امپدانس و افت ولتاژ خط انتقال، که کیفیت سیگنال و تحویل توان را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

• افزایش داخل‌زنش‌های الکترومغناطیسی و تابش از خط انتقال، که می‌تواند دستگاه‌ها و مدارهای نزدیک را تحت تأثیر قرار دهد.

بنابراین، مطلوب است که اثر پوستی در خطوط انتقال به حداقل ممکن کاهش یابد. برخی از روش‌هایی که می‌توانند برای کاهش اثر پوستی استفاده شوند عبارتند از:

• استفاده از رساناها با هدایت‌پذیری بالاتر و تراوایی مغناطیسی پایین‌تر، مانند مس یا نقره، به جای آهن یا فولاد.

• استفاده از رساناها با قطرهای کوچک‌تر یا مساحت‌های مقطعی کوچک‌تر، که تفاوت بین چگالی جریان در سطح و مرکز رسانا را کاهش می‌دهد.

• استفاده از رساناها با ساختار پیچ‌شده یا پیچ‌خورده به جای رساناها با ساختار جامد، که مساحت سطح مؤثر رسانا را افزایش می‌دهد و جریان‌های ادی را کاهش می‌دهد. نوع خاصی از رسانا پیچ‌شده به نام سیم لیتز طراحی شده است تا با پیچاندن سیم‌های پیچ‌شده به گونه‌ای که هر سیم در طول خود موقعیت‌های مختلفی در مقطع رسانا را اشغال کند، اثر پوستی را به حداقل برساند.

• استفاده از رساناها با ساختار توخالی یا لوله‌ای به جای رساناها با ساختار جامد، که وزن و هزینه رسانا را بدون تأثیر قابل توجهی بر عملکرد آن کاهش می‌دهد. بخش توخالی رسانا به دلیل اثر پوستی جریان زیادی را حمل نمی‌کند، بنابراین می‌توان آن را بدون تأثیر بر جریان حذف کرد.

• استفاده از چندین رسانای موازی به جای یک رسانا، که مساحت مقطع مؤثر رسانا را افزایش می‌دهد و مقاومت آن را کاهش می‌دهد. این روش همچنین به نام بسته‌بندی یا جابجایی شناخته می‌شود.

• کاهش فرکانس جریان AC، که عمق پوست را افزایش می‌دهد و اثر پوستی را کاهش می‌دهد. با این حال، این روش برای برخی کاربردهایی که نیاز به سیگنال‌های با فرکانس بالا دارند، ممکن است عملی نباشد.

نتیجه‌گیری

اثر پوستی یک پدیده است که در خطوط انتقال وقتی جریان AC از یک رسانا می‌گذرد رخ می‌دهد. این پدیده باعث توزیع نامتقارن جریان در سطح مقطع رسانا می‌شود، با جریان بیشتر در نزدیکی سطح نسبت به مرکز. این باعث افزایش مقاومت و امپدانس مؤثر رسانا و کاهش کارایی و عملکرد آن می‌شود.