Prijenosna linija je vodilj koji prenosi električnu energiju ili signale s jedne točke na drugu. Prijenosne linije mogu biti izrađene od različitih materijala, oblika i veličina, ovisno o primjeni i udaljenosti. Međutim, kada se prijenosne linije koriste u sustavima s strijavnim strujom (AC), one mogu pokazati pojavu zvanu efekt kože, što utječe na njihovu performansu i učinkovitost.
Efekt kože definira tendenciju AC struje da se nejednoliko distribuira preko presjeka vodilja, tako da je gustoća struje najveća blizu površine vodilja i eksponencijalno opada prema središtu. To znači da unutrašnji dio vodilja nosi manju struju od spoljnog dijela, što rezultira povećanim efektivnim otporem vodilja.
Efekt kože smanjuje efektivnu površinu presjeka vodilja dostupnu za protok struje, što povećava gubitke snage i zagrijavanje vodilja. Efekt kože uzrokuje promjenu impedancije prijenosne linije, što utječe na napon i distribuciju struje duž linije. Efekt kože je izraženiji na višim frekvencijama, većim precima i nižoj provodljivosti vodilja.
Efekt kože ne nastupa u sustavima s jednosmjerom struje (DC), jer se struja ravnomjerno širi preko presjeka vodilja. Međutim, u AC sustavima, posebno onima koji rade na visokim frekvencijama, poput radio i mikrovalnih sustava, efekt kože može imati značajan utjecaj na dizajn i analizu prijenosnih linija i drugih komponenti.
Efekt kože uzrokuje interakcija magnetskog polja generiranog AC strujom s samim vodiljem. Kao što je prikazano na slici ispod, kada AC struja teče kroz cilindrični vodilj, stvara magnetsko polje oko i unutar vodilja. Smjer i magnituda ovog magnetskog polja mijenja se prema frekvenciji i amplitudi AC struje.
Prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, mijenjajuće se magnetsko polje inducira električno polje u vodilju. Ovo električno polje, na svoj red, inducira suprotan tok u vodilju, zvan vrtlog struje. Vrtlog struje cirkuliraju unutar vodilja i suprotstavljaju originalnoj AC struji.
Vrtlog struje su jači blizu središta vodilja, gdje imaju više magnetskih tokova vezanih s originalnom AC strujom. Stoga stvaraju veće suprotne električno polje i smanjuju neto gustoću struje u središtu. S druge strane, blizu površine vodilja, gdje ima manje magnetskih tokova vezanih s originalnom AC strujom, postoje slabi vrtlog struje i niz suprotne električno polje. Stoga postoji veća neto gustoća struje na površini.
Ova pojave rezultiraju neravnomjernom distribucijom struje preko presjeka vodilja, s većom strujom koja teče blizu površine nego blizu središta. Ovo se naziva efekt kože u prijenosnim linijama.
Jedan način kvantifikacije efekta kože u prijenosnim linijama jest upotreba parametra zvanog dubina kože ili δ (delta). Dubina kože definira dubinu ispod površine vodilja gdje gustoća struje pada na 1/e (oko 37%) njene vrijednosti na površini. Što je manja dubina kože, to je izraženiji efekt kože.
Dubina kože ovisi o nekoliko faktora, kao što su:
Frekvencija AC struje: Viša frekvencija znači brže promjene u magnetskom polju i jači vrtlog struje. Stoga, dubina kože smanjuje se kako frekvencija raste.
Provodljivost vodilja: Viša provodljivost znači niži otpor i lakši protok vrtlog struja. Stoga, dubina kože smanjuje se kako provodljivost raste.
Permeabilnost vodilja: Viša permeabilnost znači više magnetskih tokova vezanih s vrtlog strujama. Stoga, dubina kože smanjuje se kako permeabilnost raste.
Oblik vodilja: Različiti oblici imaju različite geometrijske faktore koji utječu na distribuciju magnetskog polja i vrtlog struja. Stoga, dubina kože varira s različitim oblicima vodilja.
Formula za izračunavanje dubine kože za cilindrični vodilj s kružnim presjekom je:
gdje:
δ je dubina kože (u metrima)
ω je kutna frekvencija AC struje (u radijanima po sekundi)
μ je permeabilnost vodilja (u henrijevima po metru)
σ je provodljivost vodilja (u siemensima po metru)
Na primjer, za bakreni vodilj s kružnim presjekom, koji operira na 10 MHz, dubina kože je:
To znači da samo tanki sloj od 0,066 mm blizu površine vodilja nosi većinu struje na toj frekvenciji.
Efekti kože mogu uzrokovati nekoliko problema u prijenosnim linijama, kao što su:
Povećani gubitci snage i zagrijavanje vodilja, što smanjuje učinkovitost i pouzdanost sustava.
Povećana impedancija i pad napona prijenosne linije, što utječe na kvalitetu signala i dostavu snage.
Povećana elektromagnetska interferencija i zračenje iz prijenosne linije, što može utjecati na okolne uređaje i sklopove.
Stoga je željeno smanjiti efekt kože u prijenosnim linijama koliko je moguće. Neki od metoda koji se mogu koristiti za smanjenje efekata kože su:
Korištenje vodilja s višom provodljivošću i nižom permeabilnošću, poput bakra ili srebra, umjesto željeza ili čelika.
Korištenje vodilja s manjim precima ili površinama presjeka smanjuje razliku između gustoće struje na površini i u središtu.
Korištenje vodilja sa stranicama ili plešetom umjesto čvrstih vodilja povećava efektivnu površinu vodilja i smanjuje vrtlog struje. Posebna vrsta vodilja sa stranicama, zvana litz žica, dizajnirana je da minimizira efekt kože savijanjem stranica na način da svaka stranica zauzima različite pozicije u presjeku tijekom duljine.
Korištenje praznih ili cevastih vodilja umjesto čvrstih vodilja smanjuje težinu i trošak vodilja bez značajnog utjecaja na njegovu performansu. Prazni dio vodilja ne nosi mnogo struje zbog efekta kože, pa ga može se ukloniti bez utjecaja na protok struje.
Korištenje više paralelnih vodilja umjesto jednog vodilja povećava efektivnu površinu presjeka vodilja i smanjuje njegov otpor. Ovaj metod također se zove spojivanje ili transpozicija.
Smanjenje frekvencije AC struje povećava dubinu kože i smanjuje efekt kože. Međutim, to može ne biti moguće za neke primjene koje zahtijevaju visokofrekventne signale.
Efekt kože je pojava koja se javlja u prijenosnim linijama kada AC struja teče kroz vodilj. On uzrokuje neravnomjernu distribuciju struje preko presjeka vodilja, s većom strujom koja teče blizu površine nego blizu središta. To povećava efektivni otpor i impedanciju vodilja i smanjuje njegovu učinkovitost i performansu.
Efekt kože ovisi o nekoliko faktora, kao što su frekvencija, provodljivost, permeabilnost i oblik vodilja. Može se kvantificirati upotrebom parametra zvanog dubina kože, koja predstavlja dubinu ispod površine gdje gustoća struje pada na 37% njene vrijednosti na površini.
Efekt kože može se smanjiti upotrebom različitih metoda, poput korištenja vodilja s višom provodljivošću i nižom permeabilnošću, manjim prečnikom ili površinom presjeka, strukturama sa stranicama ili plešetom, praznim ili cevastim oblikom, više paralelnih rasporeda ili nižom frekvencijom.
Efekt kože je važan koncept u elektrotehnici koji utječe na dizajn i analizu prijenosnih linija i drugih komponenti koje koriste AC struje. Treba ga uzeti u obzir prilikom odabira odgovarajućeg tipa i veličine vodilja za različite primjene i frekvencije.
Izjava: Poštujte original, dobre članke vrijede dijeliti, ako postoji kršenje autorskih prava kontaktirajte za brisanje.