Memahami Efek Kulit dalam Garis Transmisi

Garis transmisi adalah konduktor yang membawa tenaga elektrik atau isyarat dari satu titik ke titik lain. Garis transmisi boleh dibuat daripada bahan, bentuk, dan saiz yang berbeza, bergantung pada aplikasi dan jarak yang terlibat. Walau bagaimanapun, apabila garis transmisi digunakan untuk sistem arus ulang-alik (AC), ia mungkin menunjukkan fenomena yang dipanggil efek kulit, yang mempengaruhi prestasi dan kecekapan mereka.

Apakah Efek Kulit dalam Garis Transmisi?

Efek kulit ditakrifkan sebagai kecenderungan arus AC untuk mendistribusikan secara tidak merata di seluruh keratan rentas konduktor, dengan kepadatan arus tertinggi berhampiran permukaan kulit konduktor dan berkurangan secara eksponensial menuju ke inti. Ini bermaksud bahawa bahagian dalaman konduktor membawa lebih sedikit arus berbanding bahagian luar, mengakibatkan peningkatan rintangan efektif konduktor.

Efek kulit mengurangkan kawasan keratan rentas efektif konduktor yang tersedia untuk aliran arus, yang meningkatkan kehilangan kuasa dan pemanasan konduktor. Efek kulit juga menyebabkan perubahan impedans garis transmisi, yang mempengaruhi pembahagian voltan dan arus sepanjang garis. Efek kulit lebih ketara pada frekuensi yang lebih tinggi, diameter yang lebih besar, dan konduktiviti yang lebih rendah konduktor.

Efek kulit tidak berlaku dalam sistem arus terus (DC), kerana arus mengalir secara seragam di seluruh keratan rentas konduktor. Walau bagaimanapun, dalam sistem AC, terutamanya yang beroperasi pada frekuensi tinggi seperti sistem radio dan mikro, efek kulit boleh memberi impak yang signifikan pada reka bentuk dan analisis garis transmisi dan komponen lain.

Apakah Penyebab Efek Kulit dalam Garis Transmisi?

Efek kulit disebabkan oleh interaksi medan magnet yang dihasilkan oleh arus AC dengan konduktor itu sendiri. Seperti yang ditunjukkan dalam gambaran di bawah, apabila arus AC mengalir melalui konduktor silinder, ia mencipta medan magnet di sekitar dan di dalam konduktor. Arah dan magnitud medan magnet ini berubah mengikut frekuensi dan amplitud arus AC.

Menurut hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik, perubahan medan magnet menginduksi medan elektrik dalam konduktor. Medan elektrik ini, seterusnya, menginduksi arus bertentangan dalam konduktor, yang dipanggil arus eddy. Arus eddy beredar dalam konduktor dan bertentangan dengan arus AC asal.

Arus eddy lebih kuat berhampiran inti konduktor, di mana mereka mempunyai lebih banyak penghubungan fluks magnet dengan arus AC asal. Oleh itu, mereka mencipta medan elektrik bertentangan yang lebih tinggi dan mengurangkan kepadatan arus bersih di inti. Di sisi lain, berhampiran permukaan konduktor, di mana terdapat lebih sedikit penghubungan fluks magnet dengan arus AC asal, terdapat arus eddy yang lebih lemah dan medan elektrik bertentangan yang lebih rendah. Oleh itu, terdapat kepadatan arus bersih yang lebih tinggi di permukaan.

Fenomena ini mengakibatkan pembahagian arus yang tidak merata di seluruh keratan rentas konduktor, dengan lebih banyak arus mengalir berhampiran permukaan berbanding berhampiran inti. Ini dikenali sebagai efek kulit dalam garis transmisi.

Bagaimana Mengkuantifikasi Efek Kulit dalam Garis Transmisi?

Satu cara untuk mengkuantifikasi efek kulit dalam garis transmisi adalah dengan menggunakan parameter yang dipanggil kedalaman kulit atau δ (delta). Kedalaman kulit ditakrifkan sebagai kedalaman di bawah permukaan konduktor di mana kepadatan arus turun kepada 1/e (sekitar 37%) nilai pada permukaan. Semakin kecil kedalaman kulit, semakin parah efek kulit.

Kedalaman kulit bergantung pada beberapa faktor, seperti:

• Frekuensi arus AC: Frekuensi yang lebih tinggi bermaksud perubahan yang lebih cepat dalam medan magnet dan arus eddy yang lebih kuat. Oleh itu, kedalaman kulit berkurangan apabila frekuensi meningkat.

• Konduktiviti konduktor: Konduktiviti yang lebih tinggi bermaksud rintangan yang lebih rendah dan aliran arus eddy yang lebih mudah. Oleh itu, kedalaman kulit berkurangan apabila konduktiviti meningkat.

• Permeabiliti konduktor: Permeabiliti yang lebih tinggi bermaksud lebih banyak penghubungan fluks magnet dan arus eddy yang lebih kuat. Oleh itu, kedalaman kulit berkurangan apabila permeabiliti meningkat.

• Bentuk konduktor: Bentuk yang berbeza mempunyai faktor geometri yang berbeza yang mempengaruhi pembahagian medan magnet dan arus eddy. Oleh itu, kedalaman kulit berbeza dengan bentuk konduktor yang berbeza.

Rumus untuk mengira kedalaman kulit untuk konduktor silinder dengan keratan rentas bulat adalah:

di mana:

• δ adalah kedalaman kulit (dalam meter)

• ω adalah frekuensi sudut arus AC (dalam radian per saat)

• μ adalah permeabiliti konduktor (dalam henry per meter)

• σ adalah konduktiviti konduktor (dalam siemens per meter)

Sebagai contoh, untuk konduktor tembaga dengan keratan rentas bulat, beroperasi pada 10 MHz, kedalaman kulit adalah:

Ini bermaksud hanya lapisan tipis 0.066 mm berhampiran permukaan konduktor yang membawa sebahagian besar arus pada frekuensi ini.

Bagaimana Mengurangkan Efek Kulit dalam Garis Transmisi?

Efek kulit boleh menyebabkan beberapa masalah dalam garis transmisi, seperti:

• Kehilangan kuasa dan pemanasan konduktor yang meningkat, yang mengurangkan kecekapan dan kebolehpercayaan sistem.

• Impedans dan penurunan voltan garis transmisi yang meningkat, yang mempengaruhi kualiti isyarat dan penghantaran kuasa.

• Gangguan elektromagnetik dan radiasi yang meningkat dari garis transmisi, yang boleh mempengaruhi peranti dan litar berdekatan.

Oleh itu, diinginkan untuk mengurangkan efek kulit dalam garis transmisi sebanyak mungkin. Beberapa kaedah yang boleh digunakan untuk mengurangkan efek kulit adalah:

• Menggunakan konduktor dengan konduktiviti yang lebih tinggi dan permeabiliti yang lebih rendah, seperti tembaga atau perak, berbanding besi atau keluli.

• Menggunakan konduktor dengan diameter atau kawasan keratan rentas yang lebih kecil mengurangkan perbezaan antara kepadatan arus di permukaan dan inti.

• Menggunakan konduktor berstruktur stranded atau braided berbanding konduktor padat meningkatkan kawasan permukaan efektif konduktor dan mengurangkan arus eddy. Jenis konduktor stranded khas yang dipanggil litz wire direka untuk meminimumkan efek kulit dengan mengelokkan strond-strond tersebut sedemikian rupa sehingga setiap strond menduduki posisi yang berbeza dalam keratan rentas sepanjang panjangnya.

• Menggunakan konduktor berongga atau tabular berbanding konduktor padat mengurangkan berat dan kos konduktor tanpa mempengaruhi prestasinya secara signifikan. Bahagian berongga konduktor tidak membawa banyak arus kerana efek kulit, jadi ia boleh dibuang tanpa mempengaruhi aliran arus.

• Menggunakan beberapa konduktor selari berbanding satu konduktor meningkatkan kawasan keratan rentas efektif konduktor dan mengurangkan rintangannya. Kaedah ini juga dikenali sebagai bundling atau transposisi.

• Mengurangkan frekuensi arus AC meningkatkan kedalaman kulit dan mengurangkan efek kulit. Walau bagaimanapun, ini mungkin tidak dapat dilakukan untuk sesetengah aplikasi yang memerlukan isyarat frekuensi tinggi.

Kesimpulan

Efek kulit adalah fenomena yang berlaku dalam garis transmisi apabila arus AC mengalir melalui konduktor. Ia menyebabkan pembahagian arus yang tidak merata di seluruh keratan rentas konduktor, dengan lebih banyak arus mengalir berhampiran permukaan berbanding berhampiran inti. Ini meningkatkan rintangan dan impedans efektif konduktor dan mengurangkan kecekapan dan prestasinya.

Efek kulit bergantung pada beberapa faktor, seperti frekuensi, konduktiviti, permeabiliti, dan bentuk konduktor. Ia boleh dikuantifikasi dengan menggunakan parameter yang dipanggil kedalaman kulit, yang merupakan kedalaman di bawah permukaan di mana kepadatan arus turun kepada 37% nilai pada permukaan.

Efek kulit boleh dikurangkan dengan menggunakan pelbagai kaedah, seperti menggunakan konduktor dengan konduktiviti yang lebih tinggi dan permeabiliti yang lebih rendah, diameter atau kawasan keratan rentas yang lebih kecil, struktur stranded atau braided, bentuk berongga atau tabular, susunan selari berbilang, atau frekuensi yang lebih rendah.

Efek kulit adalah konsep penting dalam kejuruteraan elektrik yang mempengaruhi reka bentuk dan analisis garis transmisi dan komponen lain yang menggunakan arus AC. Ia harus diambil kira apabila memilih jenis dan saiz konduktor yang sesuai untuk aplikasi dan frekuensi yang berbeza.

Pernyataan: Hormati asal, artikel yang baik patut dikongsi, jika terdapat pelanggaran silakan hubungi untuk menghapus.