Forståelse av hud-effekten i overføringslinjer

En overføringslinje er en leder som bærer elektrisk strøm eller signaler fra et punkt til et annet. Overføringslinjer kan bestå av ulike materialer, former og størrelser, avhengig av bruksområdet og avstanden involvert. Når overføringslinjer brukes for vekselstrøm (AC) systemer, kan de vise et fenomen kalt hudpåvirkning, som påvirker deres ytelse og effektivitet.

Hva er hudpåvirkningen i overføringslinjer?

Hudpåvirkning defineres som tendensen til at en AC-strøm fordeler seg uregelmessig over tverrsnittet av en leder, slik at strømtettheten er høyest nær overflaten av hudparten av lederen og minker eksponentielt mot kjernen. Dette betyr at den indre delen av lederen bærer mindre strøm enn den ytre delen, noe som fører til økt effektiv motstand i lederen.

Hudpåvirkning reduserer det effektive tverrsnittet av lederen som er tilgjengelig for strøm, noe som øker energitap og varming av lederen. Hudpåvirkning forårsaker også en endring i impedansen i overføringslinjen, noe som påvirker spennings- og strømfordelingen langs linjen. Hudpåvirkningen er mer uttalende ved høyere frekvenser, større diameterer og lavere ledningsevne hos lederne.

Hudpåvirkning oppstår ikke i likestrøms (DC) systemer, fordi strømmen flyter jevnt gjennom hele tverrsnittet av lederen. I AC-systemer, spesielt de som opererer ved høy frekvens som radio- og mikrobølgesystemer, kan hudpåvirkningen ha betydelige konsekvenser for design og analyse av overføringslinjer og andre komponenter.

Hva forårsaker hudpåvirkningen i overføringslinjer?

Hudpåvirkning forårsakes av interaksjonen mellom den magnetiske feltet generert av AC-strømmen med selve lederen. Som vist i figuren nedenfor, når en AC-strøm flyter gjennom en sylindrisk leder, skaper den et magnetisk felt rundt og inni lederen. Retningen og styrken av dette magnetiske feltet endres ifølge frekvensen og amplituden av AC-strømmen.

Ifølge Faradays lov om elektromagnetisk induksjon, inducerer et forandret magnetisk felt et elektrisk felt i en leder. Dette elektriske feltet inducerer igjen en motvirkingstrøm i lederen, kalt en eddystrøm. Eddystrømmene sirkulerer inni lederen og motvirker den opprinnelige AC-strømmen.

Eddystrømmene er sterkest nær kjernen av lederen, der de har mer magnetisk flyt kobling med den opprinnelige AC-strømmen. Derfor skaper de et høyere motvirkingselektrisk felt og reduserer den netto strømtettheten ved kjernen. På den andre siden, nær overflaten av lederen, der det er mindre magnetisk flyt kobling med den opprinnelige AC-strømmen, er det svakere eddystrømmer og et lavere motvirkingselektrisk felt. Derfor er det en høyere netto strømtetthet ved overflaten.

Dette fenomenet resulterer i en uregelmessig fordeling av strøm over tverrsnittet av lederen, med mer strøm som flyter nær overflaten enn nær kjernen. Dette kalles hudpåvirkning i overføringslinjer.

Hvordan kvantifisere hudpåvirkningen i overføringslinjer?

En måte å kvantifisere hudpåvirkningen i overføringslinjer er å bruke en parameter kalt hudtykkelse eller δ (delta). Hudtykkelse defineres som dypt under overflaten av lederen hvor strømtettheten synker til 1/e (ca. 37%) av verdien ved overflaten. Jo mindre hudtykkelsen, jo mer alvorlig er hudpåvirkningen.

Hudtykkelsen avhenger av flere faktorer, som:

• Frekvensen av AC-strømmen: Høyere frekvens betyr raskere endringer i det magnetiske feltet og sterkere eddystrømmer. Derfor minker hudtykkelsen når frekvensen øker.

• Ledningsevnen til lederen: Høyere ledningsevne betyr lavere motstand og lettere flyt av eddystrømmer. Derfor minker hudtykkelsen når ledningsevnen øker.

• Permeabiliteten til lederen: Høyere permeabilitet betyr mer magnetisk flytkobling og sterkere eddystrømmer. Derfor minker hudtykkelsen når permeabiliteten øker.

• Formen på lederen: Forskjellige former har forskjellige geometriske faktorer som påvirker distribusjonen av det magnetiske feltet og eddystrømmene. Derfor varierer hudtykkelsen med forskjellige former av lederer.

Formelen for å beregne hudtykkelse for en sylindrisk leder med sirkulært tverrsnitt er:

der:

• δ er hudtykkelsen (i meter)

• ω er vinkelfrekvensen av AC-strømmen (i radianer per sekund)

• μ er permeabiliteten til lederen (i henries per meter)

• σ er ledningsevnen til lederen (i siemens per meter)

For eksempel, for en kobberleder med sirkulært tverrsnitt, som opererer ved 10 MHz, er hudtykkelsen:

Dette betyr at bare et tynt lag på 0,066 mm nær overflaten av lederen bærer mesteparten av strømmen ved denne frekvensen.

Hvordan redusere hudpåvirkninger i overføringslinjer?

Hudpåvirkninger kan forårsake flere problemer i overføringslinjer, som:

• Økte energitap og varming av lederen, som reduserer effektiviteten og påliteligheten i systemet.

• Økt impedans og spenningsfall i overføringslinjen, som påvirker signalkvaliteten og strømforsyningen.

• Økt elektromagnetisk interferens og stråling fra overføringslinjen, som kan påvirke nærliggende enheter og kretser.

Derfor er det ønskelig å redusere hudpåvirkningen i overføringslinjer så mye som mulig. Noen av metodene som kan brukes for å redusere hudpåvirkning er:

• Bruk av ledere med høyere ledningsevne og lavere permeabilitet, som kobber eller sølv, i stedet for jern eller stål.

• Bruk av ledere med mindre diameter eller tverrsnitt reduserer forskjellen mellom strømtettheten ved overflaten og i kjernen.

• Bruk av strandede eller flokkede ledere i stedet for solide ledere øker det effektive overflatearealet av lederen og reduserer eddystrømmene. En spesialtype stranded leder kalt litz tråd er designet for å minimere hudpåvirkningen ved å vri strengene på en måte som hver streng beveger seg til ulike posisjoner i tverrsnittet over sin lengde.

• Bruk av tomme eller rørformede ledere i stedet for solide ledere reduserer vekten og kostnaden av lederen uten å påvirke dens ytelse betydelig. Den tomme delen av lederen bærer ikke mye strøm på grunn av hudpåvirkningen, så den kan fjernes uten å påvirke strømflyten.

• Bruk av flere parallelle ledere i stedet for en enkelt leder øker det effektive tverrsnittet av lederen og reduserer dens motstand. Denne metoden er også kjent som bundling eller transposisjon.

• Reduksjon av frekvensen av AC-strømmen øker hudtykkelsen og reduserer hudpåvirkningen. Imidlertid kan dette ikke være mulig for noen applikasjoner som krever høyfrekvente signaler.

Konklusjon

Hudpåvirkning er et fenomen som oppstår i overføringslinjer når en AC-strøm flyter gjennom en leder. Det forårsaker en uregelmessig fordeling av strøm over tverrsnittet av lederen, med mer strøm som flyter nær overflaten enn nær kjernen. Dette øker den effektive motstanden og impedansen av lederen og reduserer dens effektivitet og ytelse.

Hudpåvirkning avhenger av flere faktorer, som frekvens, ledningsevne, permeabilitet og form av lederen. Den kan kvantifiseres ved å bruke en parameter kalt hudtykkelse, som er dypt under overflaten der strømtettheten synker til 37% av verdien ved overflaten.

Hudpåvirkning kan reduseres ved å bruke ulike metoder, som bruk av ledere med høyere ledningsevne og lavere permeabilitet, mindre diameter eller tverrsnitt, strandede eller flokkede strukturer, tomme eller rørformede former, flere parallelle oppsett, eller lavere frekvens.

Hudpåvirkning er et viktig begrep i elektrisk ingeniørvitenskap som påvirker design og analyse av overføringslinjer og andre komponenter som bruker AC-strøm. Det skal tas hensyn til når man velger riktig type og størrelse av ledere for ulike anvendelser og frekvenser.

Erklæring: Respektér det opprinnelige, gode artikler er verdt å dele, hvis det foreligger overtredelse, vennligst kontakt for sletting.