การเข้าใจผลกระทบของผิวหนังในสายส่ง

สายส่ง เป็น ตัวนำ ที่นำพลังงานไฟฟ้าหรือสัญญาณจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง สายส่งสามารถทำจากวัสดุรูปร่างและขนาดที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับการใช้งานและความยาวที่เกี่ยวข้อง อย่างไรก็ตาม เมื่อสายส่งถูกใช้ในระบบ กระแสสลับ (AC) อาจมีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ผลผิว ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและการทำงานของสายส่ง

ผลผิวในสายส่งคืออะไร?

ผลผิวหมายถึงแนวโน้มของกระแสไฟฟ้าสลับในการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอบนพื้นที่ตัดขวางของตัวนำ โดยที่ ความหนาแน่นของกระแส สูงสุดใกล้ผิวของตัวนำและลดลงแบบเลขชี้กำลังเข้าสู่แกนกลาง นั่นหมายความว่าส่วนภายในของตัวนำจะนำกระแสไฟฟ้าน้อยกว่าส่วนภายนอก ส่งผลให้ความต้านทานที่แท้จริงของตัวนำเพิ่มขึ้น

ผลผิวลดพื้นที่ตัดขวางที่มีประสิทธิภาพของตัวนำที่ใช้สำหรับการไหลของกระแส ซึ่งเพิ่มการสูญเสียพลังงานและการทำความร้อนของตัวนำ ผลผิวยังทำให้ความต้านทานของสายส่งเปลี่ยนแปลง ซึ่งส่งผลกระทบต่อการกระจายตัวของแรงดันและกระแสตลอดสายส่ง ผลผิวมักจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นที่ความถี่สูง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ และความนำต่ำของตัวนำ

ผลผิวไม่เกิดขึ้นในระบบ กระแสตรง (DC) เพราะกระแสจะไหลอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นที่ตัดขวางของตัวนำ แต่ในระบบ AC โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ทำงานที่ความถี่สูง เช่น ระบบวิทยุและไมโครเวฟ ผลผิวสามารถมีผลกระทบสำคัญต่อการออกแบบและการวิเคราะห์ของสายส่งและส่วนประกอบอื่น ๆ

สาเหตุของผลผิวในสายส่งคืออะไร?

ผลผิวเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของ สนามแม่เหล็ก ที่สร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าสลับกับตัวนำเอง ดังแสดงในรูปด้านล่าง เมื่อมีกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านตัวนำทรงกระบอก จะสร้างสนามแม่เหล็กรอบและภายในตัวนำ ทิศทางและขนาดของสนามแม่เหล็กนี้เปลี่ยนแปลงตามความถี่และแอมปลิจูดของกระแสไฟฟ้าสลับ

ตามกฎของ ฟาเรเดย์ เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำ สนามไฟฟ้า ในตัวนำ สนามไฟฟ้านี้จะเหนี่ยวนำกระแสตรงที่ฝืนกระแสไฟฟ้าสลับเดิม ซึ่งเรียกว่า กระแสวน กระแสวนจะหมุนเวียนภายในตัวนำและฝืนกระแสไฟฟ้าสลับเดิม

กระแสวนมีความแรงมากขึ้นใกล้แกนกลางของตัวนำ ที่มีการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กมากขึ้นกับกระแสไฟฟ้าสลับเดิม ดังนั้นกระแสวนจะสร้างสนามไฟฟ้าฝืนที่แรงขึ้นและลดความหนาแน่นของกระแสที่แกนกลาง ในทางกลับกัน ใกล้ผิวของตัวนำ ที่มีการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กน้อยลงกับกระแสไฟฟ้าสลับเดิม กระแสวนจะอ่อนแอลงและสนามไฟฟ้าฝืนจะน้อยลง ดังนั้นมีความหนาแน่นของกระแสที่สูงขึ้นที่ผิว

ปรากฏการณ์นี้ทำให้การกระจายตัวของกระแสบนพื้นที่ตัดขวางของตัวนำไม่สม่ำเสมอ โดยมีกระแสไหลมากขึ้นใกล้ผิวมากกว่าใกล้แกนกลาง นี่คือที่มาของผลผิวในสายส่ง

วิธีการวัดผลผิวในสายส่ง?

วิธีการวัดผลผิวในสายส่งหนึ่งวิธีคือการใช้พารามิเตอร์ที่เรียกว่าความลึกของผิวหรือ δ (เดลตา) ความลึกของผิวหมายถึงความลึกใต้ผิวของตัวนำที่ความหนาแน่นของกระแสลดลงเหลือ 1/e (ประมาณ 37%) ของค่าที่ผิว ความลึกของผิวที่เล็กลง ผลผิวจะรุนแรงขึ้น

ความลึกของผิวขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย อาทิ:

• ความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับ: ความถี่สูงหมายถึงการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กรวดเร็วและกระแสวนที่แรงขึ้น ดังนั้น ความลึกของผิวจะลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น

• ความนำของตัวนำ: ความนำสูงหมายถึงความต้านทานต่ำและการไหลของกระแสวนที่ง่ายขึ้น ดังนั้น ความลึกของผิวจะลดลงเมื่อความนำเพิ่มขึ้น

• ความคล่องตัวของตัวนำ: ความคล่องตัวสูงหมายถึงการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กมากขึ้นและกระแสวนที่แรงขึ้น ดังนั้น ความลึกของผิวจะลดลงเมื่อความคล่องตัวเพิ่มขึ้น

• รูปร่างของตัวนำ: รูปร่างที่แตกต่างกันมีปัจจัยทางเรขาคณิตที่แตกต่างกันที่ส่งผลต่อการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กและกระแสวน ดังนั้น ความลึกของผิวจะแตกต่างกันตามรูปร่างของตัวนำ

สูตรในการคำนวณความลึกของผิวสำหรับตัวนำทรงกระบอกที่มีพื้นที่ตัดขวางเป็นวงกลมคือ:

ที่:

• δ คือ ความลึกของผิว (ในเมตร)

• ω คือ ความถี่เชิงมุมของกระแสไฟฟ้าสลับ (ในเรเดียนต่อวินาที)

• μ คือ ความคล่องตัวของตัวนำ (ในเฮนรีต่อเมตร)

• σ คือ ความนำของตัวนำ (ในซีเมนต์ต่อเมตร)

ตัวอย่างเช่น สำหรับตัวนำทองแดงที่มีพื้นที่ตัดขวางเป็นวงกลม ทำงานที่ความถี่ 10 MHz ความลึกของผิวคือ:

นี่หมายความว่า เพียงแค่ชั้นบางๆ 0.066 มม. ใกล้ผิวของตัวนำเท่านั้นที่จะนำกระแสส่วนใหญ่ที่ความถี่นี้

วิธีการลดผลผิวในสายส่ง?

ผลผิวสามารถทำให้เกิดปัญหาหลายอย่างในสายส่ง อาทิ:

• การสูญเสียพลังงานและการทำความร้อนของตัวนำเพิ่มขึ้น ซึ่งลดประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบ

• ความต้านทานและ การลดแรงดัน ของสายส่งเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบต่อคุณภาพสัญญาณและการส่งกำลัง

• การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและรังสีจากสายส่งเพิ่มขึ้น ซึ่งสามารถส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์และวงจรใกล้เคียง

ดังนั้น ควรลดผลผิวในสายส่งให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ วิธีการบางอย่างที่สามารถใช้ลดผลผิวได้ คือ:

• ใช้ตัวนำที่มีความนำสูงและมีความคล่องตัวต่ำ เช่น ทองแดงหรือเงิน แทนที่จะใช้เหล็กหรือสแตนเลส

• ใช้ตัวนำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหรือพื้นที่ตัดขวางเล็กลง ลดความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นของกระแสที่ผิวและแกนกลาง

• ใช้ตัวนำที่มีโครงสร้างแบบสายรวมหรือสายถักแทนที่จะใช้ตัวนำแบบแข็ง เพิ่มพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพของตัวนำและลดกระแสวน ตัวนำชนิดพิเศษที่เรียกว่าสายลิตซ์ออกแบบมาเพื่อลดผลผิวโดยการบิดสายย่อยในรูปแบบที่แต่ละสายย่อยมีตำแหน่งที่แตกต่างกันในพื้นที่ตัดขวางตลอดความยาว

• ใช้ตัวนำแบบโคนหรือท่อแทนที่จะใช้ตัวนำแบบแข็ง ลดน้ำหนักและค่าใช้จ่ายของตัวนำโดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพอย่างมาก พื้นที่โคนของตัวนำไม่ได้นำกระแสไฟฟ้ามากเนื่องจากผลผิว ดังนั้นสามารถนำออกได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อการไหลของกระแส

• ใช้ตัวนำแบบขนานหลายเส้นแทนที่จะใช้ตัวนำเดียว เพิ่มพื้นที่ตัดขวางที่มีประสิทธิภาพของตัวนำและลดความต้านทาน วิธีนี้ยังเรียกว่าวิธีการรวมหรือการสลับตำแหน่ง

• ลดความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับ เพิ่มความลึกของผิวและลดผลผิว อย่างไรก็ตาม วิธีนี้อาจไม่สามารถทำได้สำหรับบางแอปพลิเคชันที่ต้องการสัญญาณความถี่สูง

สรุป

ผลผิวเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในสายส่งเมื่อมีกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านตัวนำ มันทำให้การกระจายตัวของกระแสบนพื้นที่ตัดขวางของตัวนำไม่สม่ำเสมอ โดยมีกระแสไหลมากขึ้นใกล้ผิวมากกว่าใกล้แกนกลาง นี่ทำให้ความต้านทานและความต้านทานที่แท้จริงของตัวนำเพิ่มขึ้น และลดประสิทธิภาพและประสิทธิภาพการทำงาน

ผลผิวขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ อาทิ ความถี่ ความนำ ความคล่องตัว และรูปร่างของตัวนำ สามารถวัดผลผิวด้วยพารามิเตอร์ที่เรียกว่าความลึกของผิว ซึ่งคือความลึกใต้ผิวที่ความหนาแน่นของกระแสลดลงเหลือ 37% ของค่าที่ผิว

ผลผิวสามารถลดลงโดยใช้วิธีการต่างๆ อาทิ การใช้ตัวนำที่มีความนำสูงและมีความคล่องตัวต่ำ เส้นผ่านศูนย์กลางหรือพื้นที่ตัดขวางเล็ก โครงสร้างแบบสายรวมหรือสายถัก รูปร่างแบบโคนหรือท่อ หรือความถี่ต่ำ

ผลผิวเป็นแนวคิดที่สำคัญในวิศวกรรมไฟฟ้าที่ส่งผลกระทบต่อการออกแบบและการวิเคราะห์ของสายส่งและส่วนประกอบอื่นๆ ที่ใช้กระแสไฟฟ้าสลับ ควรถือเอาไว้เมื่อเลือกประเภทและขนาดของตัวนำที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันและความถี่ที่แตกต่างกัน

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.