درک اثر پوست در خطوط انتقال

خط انتقال یک رساننده است که انرژی الکتریکی یا سیگنال‌ها را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌کند. خطوط انتقال می‌توانند از مواد مختلف، اشکال و اندازه‌های مختلف ساخته شوند، بسته به کاربرد و فاصله مورد نظر. با این حال، وقتی خطوط انتقال برای سیستم‌های متناوب (AC) استفاده می‌شوند، ممکن است یک پدیده به نام اثر پوسته را نشان دهند که عملکرد و کارایی آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

اثر پوسته در خطوط انتقال چیست؟

اثر پوسته به تمایل جریان AC برای توزیع نامتقارن در بخش مقطعی یک رساننده اشاره دارد، به طوری که چگالی جریان بالاترین مقدار خود را در ناحیه نزدیک به سطح پوسته رساننده دارد و به صورت نمایی به سمت مرکز کاهش می‌یابد. این بدان معناست که بخش داخلی رساننده کمترین جریان را حمل می‌کند و بخش خارجی بیشترین جریان را حمل می‌کند، که منجر به افزایش مقاومت مؤثر رساننده می‌شود.

اثر پوسته مساحت مؤثر مقطعی رساننده موجود برای جریان را کاهش می‌دهد، که باعث افزایش تلفات انرژی و گرم شدن رساننده می‌شود. اثر پوسته همچنین باعث تغییر در امپدانس خط انتقال می‌شود که تأثیری بر توزیع ولتاژ و جریان در طول خط دارد. اثر پوسته در فرکانس‌های بالاتر، قطرهای بزرگتر و رسانایی کمتر رساننده بیشتر مشهود است.

اثر پوسته در سیستم‌های مستقیم (DC) رخ نمی‌دهد، زیرا جریان به صورت یکنواخت در تمام مقطع رساننده جریان می‌یابد. با این حال، در سیستم‌های AC، به ویژه آنهایی که در فرکانس‌های بالا مانند رادیو و میکروویو کار می‌کنند، اثر پوسته می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر طراحی و تحلیل خطوط انتقال و سایر اجزا داشته باشد.

علت اثر پوسته در خطوط انتقال چیست؟

اثر پوسته ناشی از تعامل میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان AC با رساننده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، وقتی جریان AC از یک رساننده استوانه‌ای می‌گذرد، میدان مغناطیسی در اطراف و درون رساننده 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 رساننده القا می‌کند. این میدان الکتریکی، به نوبه خود، یک جریان مخالف در رساننده القا می‌کند که به عنوان جریان دوگانه شناخته می‌شود. جریان‌های دوگانه در داخل رساننده می‌چرخند و جریان AC اصلی را مخالفت می‌کنند.

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

این پدیده منجر به توزیع نامتعادل جریان در مقطع رساننده می‌شود، به طوری که بیشتر جریان در نزدیکی سطح و کمتر جریان در نزدیکی مرکز می‌گذرد. این پدیده به عنوان اثر پوسته در خطوط انتقال شناخته می‌شود.

چگونه می‌توان اثر پوسته در خطوط انتقال را کمی کرد؟

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

عمق پوسته به چندین عامل بستگی دارد، از جمله:

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

• رسانایی رساننده: رسانایی بالاتر به معنای مقاومت کمتر و جریان آسان‌تر جریان‌های دوگانه است. بنابراین، عمق پوسته با افزایش رسانایی کاهش می‌یابد.

• تراوایی رساننده: تراوایی بالاتر به معنای پیوند مغناطیسی بیشتر و جریان‌های دوگانه قوی‌تر است. بنابراین، عمق پوسته با افزایش تراوایی کاهش می‌یابد.

• شکل رساننده: شکل‌های مختلف عوامل هندسی مختلفی دارند که تأثیری بر توزیع میدان مغناطیسی و جریان‌های دوگانه دارند. بنابراین، عمق پوسته با تغییر شکل رساننده متفاوت است.

فرمول محاسبه عمق پوسته برای یک رساننده استوانه‌ای با مقطع دایره‌ای به صورت زیر است:

که در آن:

• δ عمق پوسته (در متر)

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

• μ تراوایی رساننده (در هنری بر متر)

• σ رسانایی رساننده (در سیمنز بر متر)

به عنوان مثال، برای یک رساننده مس با مقطع دایره‌ای که در 10 MHz کار می‌کند، عمق پوسته به صورت زیر است:

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

چگونه می‌توان اثر پوسته در خطوط انتقال را کاهش داد؟

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

• افزایش تلفات انرژی و گرم شدن رساننده، که کارایی و قابلیت اطمینان سیستم را کاهش می‌دهد.

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

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

بنابراین، مطلوب است که اثر پوسته در خطوط انتقال به حداقل ممکن کاهش یابد. برخی از روش‌هایی که می‌توان برای کاهش اثر پوسته استفاده کرد عبارتند از:

• استفاده از رساننده‌های با رسانایی بالاتر و تراوایی کمتر، مانند مس یا نقره، به جای آهن یا فولاد.

• استفاده از رساننده‌های با قطر یا مساحت مقطعی کوچکتر که تفاوت بین چگالی جریان سطحی و مرکزی را کاهش می‌دهد.

• استفاده از رساننده‌های پیچ‌دار یا پیچ‌بندی شده به جای رساننده‌های جامد که مساحت سطح مؤثر رساننده را افزایش می‌دهد و جریان‌های دوگانه را کاهش می‌دهد. نوع خاصی از رساننده پیچ‌دار به نام سیم لیتز طراحی شده است تا اثر پوسته را با پیچاندن سیم‌های پیچ‌دار به گونه‌ای که هر سیم در طول خود در موقعیت‌های مختلف در مقطع قرار گیرد، به حداقل برساند.

• استفاده از رساننده‌های توخالی یا لوله‌ای به جای رساننده‌های جامد که وزن و هزینه رساننده را کاهش می‌دهد بدون اینکه عملکرد آن به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار گیرد. بخش توخالی رساننده به دلیل اثر پوسته جریان زیادی را حمل نمی‌کند، بنابراین می‌توان آن را بدون تأثیر گذاشتن بر جریان حذف کرد.

• استفاده از چندین رساننده موازی به جای یک رساننده واحد که مساحت مقطعی مؤثر رساننده را افزایش می‌دهد و مقاومت آن را کاهش می‌دهد. این روش همچنین به عنوان گروه‌بندی یا جابجایی شناخته می‌شود.

• کاهش فرکانس جریان AC که عمق پوسته را افزایش می‌دهد و اثر پوسته 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 پوسته یک پدیده است که در خطوط انتقال وقتی جریان AC از یک رساننده می‌گذرد رخ می‌دهد. این پدیده منجر به توزیع نامتعادل جریان در مقطع رساننده می‌شود، به طوری که بیشتر جریان در نزدیکی سطح و کمتر جریان در نزدیکی مرکز می‌گذرد. این امر مقاومت و امپدانس مؤثر رساننده را افزایش می‌دهد و کارایی و عملکرد آن را کاهش می‌دهد.