הבנה Skin Effect in Transmission Lines השלכתי הבנת אפקט העור בקווים של העברה

קו העברה הוא מישר נושא המוביל חשמל או אותות מנקודה אחת לאחרת. קווי העברה יכולים להיות עשויים ממגוון חומרים, צורות וגדלים בהתאם ליישום והמרחק שמעורר. עם זאת, כאשר קווי העברה משמשים במערכות חליפיות (AC), הם עשויים להפגין תופעה הנקראת אפקט העור, שמפיעה על ביצועיהם והיעילות שלהם.

מהו אפקט העור בקוי העברה?

אפקט העור מוגדר כנטייה של זרם AC להתפזר באופן לא אחיד על פני החתך של מוליך, כך שהצפיפות הזרם היא גבוהה ביותר ליד פני השטח של המוליך ומתחילה לרדת בצורה מעריכית לעבר הליבה. זה אומר שהחלק הפנימי של המוליך נושא פחות זרם מהחלק החיצוני, מה שמוביל להגדלת התנגדות האפקטיבית של המוליך.

אפקט העור מקטין את שטח החתך האפקטיבי של המוליך הזמין לתנועת הזרם, מה שמגביר אתlust losses והתחממות המוליך. אפקט העור גורם גם לשינוי בתנגדות (impedance) של קו ההעברה, מה שמפיע על הפיזור של מתח וזרם לאורך הקו. אפקט העור הוא יותר מובהק בתדרים גבוהים, קוטרים גדולים ושהיקפי מוליכות נמוכים של המוליכים.

אפקט העור אינו מופיע במערכות זרם ישיר (DC), מכיוון שהזרם זורם באופן אחיד לאורך כל החתך של המוליך. עם זאת, במערכות AC, במיוחד אלה שמפעילות בתדרים גבוהים כמו מערכות רדיו ומיקרוגל, אפקט העור יכול להשפיע משמעותית על העיצוב והניתוח של קווי העברה ואבזרים אחרים.

מה גורם לאפקט העור בקוי העברה?

אפקט העור נגרם על ידי האינטראקציה בין השדה המגנטי שנוצר על ידי זרם AC עם המוליך עצמו. כפי שמוצג בתמונה שלהלן, כאשר זרם AC זורם דרך מוליך צילינדרי, הוא יוצר שדה מגנטי מסביב ובתוך המוליך. כיוון וכוח השדה המגנטי משתנים בהתאם לתדר והעוצמה של הזרם AC.

לפי חוק פארדיי של האלקטרומגנטיות, שינוי בשדה מגנטי מפיק שדה חשמלי במוליך. השדה החשמלי הזה, בתורו, מפיק זרם מנוגד במוליך, המכונה זרם ערבוב. הזרמים הערבוב מתפתלים בתוך המוליך ומונעים את הזרם המקורי של ה-AC.

הזרמים הערבוב חזקים יותר ליד הליבה של המוליך, שם יש להם יותר קשר מגנטי עם הזרם המקורי של ה-AC. לכן, הם מפיקים שדה חשמלי מנוגד גבוה יותר ומפחיתים את צפיפות הזרם הנטו בליבה. מצד שני, ליד פני השטח של המוליך, שם יש פחות קשר מגנטי עם הזרם המקורי של ה-AC, יש זרמים ערבוב חלשים יותר ושדה חשמלי מנוגד נמוך יותר. לכן, יש צפיפות זרם נטו גבוהה יותר על פני השטח.

תופעת זו מובילה להתפזרות לא אחידה של הזרם על פני החתך של המוליך, עם יותר זרם זורם ליד פני השטח מאשר ליד הליבה. זה ידוע כאפקט העור בקוי העברה.

איך לכמת את אפקט העור בקוי העברה?

דרך אחת לכמת את אפקט העור בקוי העברה היא להשתמש בפרמטר הנקרא עומק העור או δ (דלתא). עומק העור מוגדר כעומק מתחת לפני השטח של המוליך שבו צפיפות הזרם יורדת ל-1/e (כ-37%) מהערך שלו על פני השטח. ככל שעומק העור קטן יותר, כך אפקט העור חמור יותר.

עומק העור תלוי במספר גורמים, כגון:

• התדר של הזרם AC: תדר גבוה יותר מוביל לשינויים מהירים יותר בשדה המגנטי וזרמים ערבוב חזקים יותר. לכן, עומק העור יורד ככל שהתדר עולה.

• המוליכות של המוליך: מוליכות גבוהה יותר מובילה לתנגדות נמוכה יותר וזרם קל יותר. לכן, עומק העור יורד ככל שהמוליכות עולה.

• הנש (!((ה)) של המוליך: נש ((((ה)) גבוהה יותר מובילה לקשר מגנטי רב יותר וזרמים ערבוב חזקים יותר. לכן, עומק העור יורד ככל שהנש ((((ה)) עולה.

• צורת המוליך: צורות שונות יש להן גורמים גיאומטריים שונים המשפיעים על הפיזור של השדה המגנטי וזרמי הערבוב. לכן, עומק העור משתנה עם צורות שונות של מוליכים.

הנוסחה לחישוב עומק העור עבור מוליך צילינדרי בעל חתך מעגלי היא:

כאשר:

• δ הוא עומק העור (במטרים)

• ω הוא התדירות הזוויתית של הזרם AC (ברדיאנים לשנייה)

• μ היא הנש ((((ה)) של המוליך (בהנרי למטר)

• σ היא המוליכות של המוליך (בסיאמנס למטר)

לדוגמה, עבור מוליך נחושת בעל חתך מעגלי, המבצע ב-10 מגה-הרץ, עומק העור הוא:

זה אומר שאזור דק של 0.066 מ"מ ליד פני השטח של המוליך נושא את רוב הזרם בתדר זה.

איך להפחית את אפקט העור בקוי העברה?

אפקטים של עור יכולים לגרום למספר בעיות בקוי העברה, כגון:

• הגדלתlust losses ותחממות המוליך, מה שמפחית את היעילות והאמינות של המערכת.

• הגדלת התנגדות וירידה במתח של קו ההעברה, מה שמפיע על איכות האות ומשלוח הכוח.

• הגדלת התאבכות אלקטרומגנטית והקרינה מקו ההעברה, מה שיכול להשפיע על התקנים ומעגלים סמוכים.

לכן, желательно уменьшить эффект кожи в линиях передачи как можно больше. Некоторые методы, которые можно использовать для уменьшения эффекта кожи, включают:

• שימוש במוליכים בעלי מוליכות גבוהה ונש ((((ה)) נמוכה, כגון נחושת או כסף, במקום ברזל או פלדה.

• שימוש במוליכים בעלי קוטר או שטח חתך קטנים מפחיתים את ההבדל בין צפיפות הזרם על פני השטח לליבה.

• שימוש במוליכים מצולקים או מאוגדים במקום מוליכים מוצקים מגדילים את שטח הפנים האפקטיבי של המוליך ומפחיתים את זרמי הערבוב. סוג מיוחד של מוליך מצולק הנקרא "חוט ליץ" מיועד להפחית את אפקט העור על ידי טווית הסיבים באופן שכל סיב מתיישב במיקומים שונים בחתך לאורך אורכו.

• שימוש במוליכים חלולים או צינורי במקום מוליכים מוצקים מפחיתים את המשקל והעלות של המוליך מבלי להשפיע משמעותית על הביצועים. החלק החוללי של המוליך אינו נושא הרבה זרם עקב אפקט העור, ולכן ניתן להסיר אותו מבלי להשפיע על זרימת הזרם.

• שימוש במספר מוליכים מקבילים במקום מוליך יחיד מגדיל את שטח החתך האפקטיבי של המוליך ומפחית את ההתנגדות שלו. שיטה זו ידועה גם בשם "הרכבת" או "חילוף".

• הקטנת התדר של הזרם AC מגבירה את עומק העור ומפחיתה את אפקט העור. עם זאת, זה עשוי להיות בלתי אפשרי עבור יישומים מסוימים שדורשים אותות בתדר גבוה.

סיכום

אפקט העור הוא תופעה שמתרחשת בקוי העברה כאשר זרם AC זורם דרך מוליך. הוא גורם להתפזרות לא אחידה של הזרם על פני החתך של המוליך, עם יותר זרם זורם ליד פני השטח מאשר ליד הליבה. זה מגביר את ההתנגדות וההתנגדות האפקטיבית של המוליך ומפחית את היעילות והביצועים שלו.

אפקט העור תלוי במספר גורמים, כגון התדר, מוליכות, נש ((((ה)) וצורת המוליך. ניתן לכמת אותו באמצעות פרמטר הנקרא עומק העור, שהוא לעומק מתחת לפני השטח שבו צפיפות הזרם יורדת ל-37% מהערך שלו על פני השטח.

אפקט העור ניתן להפחית באמצעות שימוש בשיטות שונות, כגון שימוש במוליכים בעלי מוליכות גבוהה ונש ((((ה)) נמוכה, קוטר או שטח חתך קטנים, מבנה מצולק או מאוגד, צורה חלולה או צינורית, מספר מקביל, או תדר נמוך.

אפקט העור הוא מושג חשוב בהנדסת חשמל שמפיע על העיצוב והניתוח של קווי העברה ואבזרים אחרים המשתמשים בזרמים AC. יש לקחת אותו בחשבון בבחירת הטיפוס והגודל המתאימים של מוליכים עבור יישומים ותדרים שונים.

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.