Zrozumienie efektu skórkowego w liniach przesyłowych

Linia przesyłowa to przewodnik, który przenosi energię elektryczną lub sygnały z jednego punktu do drugiego. Linie przesyłowe mogą być wykonane z różnych materiałów, kształtów i rozmiarów, w zależności od zastosowania i odległości. Jednakże, gdy linie przesyłowe są używane w systemach z prądem przemiennym (AC), mogą występować zjawisko zwane efektem skórkowym, które wpływa na ich wydajność i efektywność.

Co to jest efekt skórkowy w liniach przesyłowych?

Efekt skórkowy definiuje się jako tendencja prądu przemiennego do nierównomiernego rozkładu w przekroju przewodnika, tak że gęstość prądu jest najwyższa blisko powierzchni przewodnika i maleje wykładniczo w kierunku środka. Oznacza to, że wewnętrzna część przewodnika przeprowadza mniej prądu niż zewnętrzna, co powoduje zwiększenie skutecznej oporu przewodnika.

Efekt skórkowy zmniejsza skuteczną powierzchnię przekroju przewodnika dostępną dla przepływu prądu, co zwiększa straty mocy i nagrzewanie przewodnika. Efekt skórkowy powoduje również zmianę impedancji linii przesyłowej, co wpływa na napięcie i rozkład prądu wzdłuż linii. Efekt skórkowy jest bardziej widoczny przy wyższych częstotliwościach, większych średnicach i niższej przewodności przewodników.

Efekt skórkowy nie występuje w systemach z prądem stałym (DC), ponieważ prąd płynie jednostajnie przez cały przekrój przewodnika. Jednak w systemach AC, zwłaszcza tych działających na wysokich częstotliwościach, takich jak systemy radiowe i mikrofalowe, efekt skórkowy może mieć znaczny wpływ na projektowanie i analizę linii przesyłowych i innych komponentów.

Co powoduje efekt skórkowy w liniach przesyłowych?

Efekt skórkowy jest spowodowany interakcją pola magnetycznego generowanego przez prąd przemienny z samym przewodnikiem. Jak pokazano na poniższym rysunku, gdy prąd przemienny płynie przez cylindryczny przewodnik, tworzy pole magnetyczne wokół i wewnątrz przewodnika. Kierunek i wielkość tego pola magnetycznego zmieniają się w zależności od częstotliwości i amplitudy prądu przemiennego.

Zgodnie z prawem Faradaya indukcji elektromagnetycznej, zmieniające się pole magnetyczne indukuje pole elektryczne w przewodniku. To pole elektryczne, z kolei, indukuje przeciwstawny prąd w przewodniku, nazywany prądem wirującym. Prądy wirujące krążą wewnątrz przewodnika i przeciwstawiają się oryginalnemu prądowi przemiennemu.

Prądy wirujące są silniejsze w pobliżu środka przewodnika, gdzie mają większą wiązaniowość magnetyczną z oryginalnym prądem przemiennym. Stąd tworzą silniejsze przeciwstawne pole elektryczne i zmniejszają gęstość prądu w centrum. Z drugiej strony, w pobliżu powierzchni przewodnika, gdzie jest mniej wiązania magnetycznego z oryginalnym prądem przemiennym, prądy wirujące są słabsze, a przeciwstawne pole elektryczne jest mniejsze. Stąd gęstość prądu na powierzchni jest wyższa.

To zjawisko prowadzi do nierównomiernego rozkładu prądu w przekroju przewodnika, z większym prądem płynącym w pobliżu powierzchni niż w pobliżu środka. Jest to znane jako efekt skórkowy w liniach przesyłowych.

Jak sformalizować efekt skórkowy w liniach przesyłowych?

Jednym ze sposobów sformalizowania efektu skórkowego w liniach przesyłowych jest użycie parametru zwanego głębokością skórki lub δ (delta). Głębokość skórki definiuje się jako głębokość poniżej powierzchni przewodnika, w której gęstość prądu spada do 1/e (około 37%) jej wartości na powierzchni. Im mniejsza głębokość skórki, tym bardziej nasilony efekt skórkowy.

Głębokość skórki zależy od kilku czynników, takich jak:

• Częstotliwość prądu przemiennego: Wyższa częstotliwość oznacza szybsze zmiany pola magnetycznego i silniejsze prądy wirujące. Stąd głębokość skórki maleje wraz ze wzrostem częstotliwości.

• Przewodność przewodnika: Wyższa przewodność oznacza niższy opór i łatwiejszy przepływ prądów wirujących. Stąd głębokość skórki maleje wraz ze wzrostem przewodności.

• Przenikalność magnetyczna przewodnika: Wyższa przenikalność oznacza więcej wiązania magnetycznego i silniejsze prądy wirujące. Stąd głębokość skórki maleje wraz ze wzrostem przenikalności.

• Kształt przewodnika: Różne kształty mają różne czynniki geometryczne, które wpływają na rozkład pola magnetycznego i prądy wirujące. Stąd głębokość skórki różni się w zależności od kształtu przewodnika.

Wzór na obliczenie głębokości skórki dla cylindrycznego przewodnika o okrągłym przekroju to:

gdzie:

• δ to głębokość skórki (w metrach)

• ω to częstotliwość kątowa prądu przemiennego (w radianach na sekundę)

• μ to przenikalność magnetyczna przewodnika (w henrych na metr)

• σ to przewodność przewodnika (w siemensach na metr)

Na przykład, dla przewodnika miedzianego o okrągłym przekroju, działającego na częstotliwości 10 MHz, głębokość skórki wynosi:

Oznacza to, że tylko cienka warstwa o grubości 0,066 mm w pobliżu powierzchni przewodnika przeprowadza większość prądu na tej częstotliwości.

Jak zmniejszyć efekt skórkowy w liniach przesyłowych?

Efekt skórkowy może powodować wiele problemów w liniach przesyłowych, takich jak:

• Zwiększone straty mocy i nagrzewanie przewodnika, co zmniejsza efektywność i niezawodność systemu.

• Zwiększenie impedancji i spadku napięcia linii przesyłowej, co wpływa na jakość sygnału i dostarczanie mocy.

• Zwiększenie interferencji elektromagnetycznej i promieniowania z linii przesyłowej, co może wpływać na pobliskie urządzenia i obwody.

Dlatego jest pożądane, aby zminimalizować efekt skórkowy w liniach przesyłowych. Niektóre metody, które można zastosować, aby zmniejszyć efekt skórkowy, to:

• Używanie przewodników o wyższej przewodności i niższej przenikalności magnetycznej, takich jak miedź lub srebro, zamiast żelaza lub stali.

• Używanie przewodników o mniejszych średnicach lub przekrojach poprzecznych, co zmniejsza różnicę między gęstością prądu na powierzchni a w centrum.

• Używanie przewodników splątanych lub plecionych zamiast jednorodnych, co zwiększa skuteczną powierzchnię przewodnika i zmniejsza prądy wirujące. Specjalny typ przewodnika splątanego zwany drutem litz jest zaprojektowany, aby minimalizować efekt skórkowy, poprzez skręcanie włókien w taki sposób, że każde włókno zajmuje różne pozycje w przekroju wzdłuż swojej długości.

• Używanie pustych lub rurkowych przewodników zamiast jednorodnych, co zmniejsza wagę i koszt przewodnika bez znacznego wpływu na jego wydajność. Pusta część przewodnika nie przeprowadza dużo prądu z powodu efektu skórkowego, więc może być usunięta bez wpływu na przepływ prądu.

• Używanie wielu równoległych przewodników zamiast jednego, co zwiększa skuteczną powierzchnię przekroju przewodnika i zmniejsza jego opór. Ta metoda jest również znana jako grupowanie lub transpozycja.

• Zmniejszanie częstotliwości prądu przemiennego, co zwiększa głębokość skórki i zmniejsza efekt skórkowy. Jednak ta metoda może nie być możliwa dla niektórych zastosowań wymagających wysokich częstotliwości sygnałów.

Podsumowanie

Efekt skórkowy to zjawisko występujące w liniach przesyłowych, gdy prąd przemienny płynie przez przewodnik. Powoduje on nierównomierny rozkład prądu w przekroju przewodnika, z większym prądem płynącym w pobliżu powierzchni niż w pobliżu środka. To zwiększa skuteczny opór i impedancję przewodnika, zmniejszając jego efektywność i wydajność.

Efekt skórkowy zależy od wielu czynników, takich jak częstotliwość, przewodność, przenikalność magnetyczna i kształt przewodnika. Można go sformalizować, używając parametru zwanego głębokością skórki, która to głębokość poniżej powierzchni, gdzie gęstość prądu spada do 37% jej wartości na powierzchni.

Efekt skórkowy można zmniejszyć, stosując różne metody, takie jak użycie przewodników o wyższej przewodności i niższej przenikalności, mniejszej średnicy lub przekroju poprzecznego, struktury splątanej lub plecionej, kształtu pustego lub rurkowego, wielu równoległych układów lub niższej częstotliwości.

Efekt skórkowy to ważne zjawisko w elektrotechnice, które wpływa na projektowanie i analizę linii przesyłowych i innych komponentów korzystających z prądu przemiennego. Należy go uwzględnić podczas wybierania odpowiedniego rodzaju i rozmiaru przewodników dla różnych zastosowań i częstotliwości.

Oświadczenie: Szanujmy oryginał, dobre artykuły warto dzielić, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt w celu usunięcia.