एक संचार लाइन एक संयोजक है जो एक स्थान से दूसरे स्थान तक विद्युत शक्ति या सिग्नल ले जाती है। संचार लाइनें अनुप्रयोग और दूरी के आधार पर विभिन्न सामग्रियों, आकारों और आकारों से बनी हो सकती हैं। हालांकि, जब संचार लाइनों का उपयोग विकल्प विद्युत (AC) प्रणालियों के लिए किया जाता है, तो उनमें एक घटना जिसे त्वचा प्रभाव कहा जाता है, उनके प्रदर्शन और दक्षता पर प्रभाव डालता है।
त्वचा प्रभाव को ऐसा रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें AC धारा एक संयोजक के अनुप्रस्थ-खंड पर असमान रूप से वितरित होती है, जिससे धारा घनत्व संयोजक के त्वचा के निकटतम भाग में सबसे अधिक होता है और केंद्र की ओर घातांकीय रूप से घटता है। यह इस अर्थ में है कि संयोजक का आंतरिक भाग बाहरी भाग की तुलना में कम धारा ले जाता है, जिससे संयोजक का प्रभावी प्रतिरोध बढ़ जाता है।
त्वचा प्रभाव संयोजक में धारा प्रवाह के लिए उपलब्ध प्रभावी अनुप्रस्थ-खंड को कम करता है, जिससे शक्ति की हानि और संयोजक की गर्मी बढ़ जाती है। त्वचा प्रभाव संचार लाइन के आंतरिक प्रतिरोध में भी बदलाव करता है, जो लाइन के साथ विद्युत विभव और धारा के वितरण पर प्रभाव डालता है। त्वचा प्रभाव उच्च आवृत्तियों, बड़े व्यास, और संयोजकों की कम चालकता पर अधिक प्रत्यक्ष होता है।
त्वचा प्रभाव सीधी धारा (DC) प्रणालियों में नहीं होता, क्योंकि धारा संयोजक के अनुप्रस्थ-खंड में समान रूप से प्रवाहित होती है। हालांकि, AC प्रणालियों, विशेष रूप से उन लोगों में जो उच्च आवृत्तियों, जैसे रेडियो और माइक्रोवेव प्रणालियों पर कार्य करते हैं, त्वचा प्रभाव संचार लाइनों और अन्य घटकों के डिजाइन और विश्लेषण पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकता है।
त्वचा प्रभाव AC धारा द्वारा उत्पन्न होने वाले चुंबकीय क्षेत्र और संयोजक के बीच की प्रतिक्रिया से होता है। नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है, जब एक AC धारा एक बेलनाकार संयोजक में प्रवाहित होती है, तो इसके चारों ओर और अंदर एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। इस चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और तीव्रता AC धारा की आवृत्ति और आयाम के अनुसार बदलती है।
फाराडे के विद्युत चुंबकीय प्रेरण के नियम के अनुसार, एक बदलता चुंबकीय क्षेत्र एक संयोजक में एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है। इस विद्युत क्षेत्र, अपनी बार में, संयोजक में एक विरोधी धारा, जिसे एडी करंट कहा जाता है, उत्पन्न करता है। एडी करंट संयोजक के भीतर परिक्रमण करते हैं और मूल AC धारा का विरोध करते हैं।
एडी करंट संयोजक के केंद्र के निकटतम भाग में अधिक शक्तिशाली होते हैं, जहाँ उनके पास मूल AC धारा के साथ अधिक चुंबकीय प्रवाह लिंकेज होता है। इसलिए, वे एक उच्च विरोधी विद्युत क्षेत्र और केंद्र पर नेट धारा घनत्व को कम करते हैं। दूसरी ओर, संयोजक की सतह के निकट, जहाँ चुंबकीय प्रवाह लिंकेज कम होता है, एडी करंट और विरोधी विद्युत क्षेत्र दोनों कम शक्तिशाली होते हैं। इसलिए, सतह पर नेट धारा घनत्व अधिक होता है।
यह घटना संयोजक के अनुप्रस्थ-खंड पर धारा के असमान वितरण का परिणाम है, सतह के निकट अधिक धारा और केंद्र के निकट कम धारा। यही त्वचा प्रभाव के रूप में जाना जाता है।
संचार लाइनों में त्वचा प्रभाव को मापने का एक तरीका एक पैरामीटर का उपयोग करना है जिसे त्वचा गहराई या δ (डेल्टा) कहा जाता है। त्वचा गहराई को संयोजक की सतह से नीचे की गहराई के रूप में परिभाषित किया गया है जहाँ धारा घनत्व 1/e (लगभग 37%) तक गिर जाता है। छोटी त्वचा गहराई, त्वचा प्रभाव की गंभीरता को बढ़ाती है।
त्वचा गहराई कई कारकों पर निर्भर करती है, जैसे:
AC धारा की आवृत्ति: उच्च आवृत्ति का अर्थ है चुंबकीय क्षेत्र में तेजी से बदलाव और शक्तिशाली एडी करंट। इसलिए, आवृत्ति बढ़ने के साथ त्वचा गहराई घटती जाती है।
संयोजक की चालकता: उच्च चालकता का अर्थ है कम प्रतिरोध और एडी करंट की आसान प्रवाह। इसलिए, चालकता बढ़ने के साथ त्वचा गहराई घटती जाती है।
संयोजक की चुंबकशीलता: उच्च चुंबकशीलता का अर्थ है अधिक चुंबकीय प्रवाह लिंकेज और शक्तिशाली एडी करंट। इसलिए, चुंबकशीलता बढ़ने के साथ त्वचा गहराई घटती जाती है।
संयोजक का आकार: विभिन्न आकारों में विभिन्न ज्यामितीय कारक होते हैं जो चुंबकीय क्षेत्र वितरण और एडी करंट पर प्रभाव डालते हैं। इसलिए, त्वचा गहराई विभिन्न आकारों के संयोजकों के साथ भिन्न होती है।
एक वृत्ताकार अनुप्रस्थ-खंड वाले बेलनाकार संयोजक के लिए त्वचा गहराई की गणना करने का सूत्र है:
जहाँ:
δ त्वचा गहराई (मीटर में)
ω AC धारा की कोणीय आवृत्ति (रेडियन प्रति सेकंड में)
μ संयोजक की चुंबकशीलता ( हेनरी प्रति मीटर में)
σ संयोजक की चालकता (सिमेन प्रति मीटर में)
उदाहरण के लिए, एक वृत्ताकार अनुप्रस्थ-खंड वाले तांबे के संयोजक के लिए, 10 MHz पर संचालित होने पर, त्वचा गहराई है:
यह अर्थ है कि केवल 0.066 मिमी गहरी एक पतली परत संयोजक की सतह के निकट इस आवृत्ति पर अधिकांश धारा ले जाती है।
त्वचा प्रभाव संचार लाइनों में कई समस्याएँ उत्पन्न कर सकते हैं, जैसे:
शक्ति की हानि और संयोजक की गर्मी में वृद्धि, जो प्रणाली की दक्षता और विश्वसनीयता को कम करती है।
आंतरिक प्रतिरोध और विद्युत विभव गिरावट
