Розуміння ефекту шкіри в лініях передачі

Лінія передачі - це провідник, який переносить електричну енергію або сигнали з одного місця до іншого. Лінії передачі можуть бути виготовлені з різних матеріалів, форм і розмірів, залежно від застосування та відстані. Однак, коли лінії передачі використовуються для перемінного струму (AC), вони можуть демонструвати явище, відоме як ефект шкіри, яке впливає на їхню продуктивність та ефективність.

Що таке ефект шкіри в лініях передачі?

Ефект шкіри визначається як схильність AC струму нерівномірно розподілятися по поперечному перерізу провідника, так що щільність струму найвища поблизу поверхні провідника і зменшується експоненціально до середини. Це означає, що внутрішня частина провідника несе менший струм, ніж зовнішня, що призводить до збільшення ефективного опору провідника.

Ефект шкіри зменшує ефективну площу поперечного перерізу провідника, доступну для потоку струму, що збільшує втрати енергії та нагрівання провідника. Ефект шкіри також викликає зміну імпедансу лінії передачі, що впливає на напругу та розподіл струму вздовж лінії. Ефект шкіри більш виражений при високих частотах, більших діаметрах та нижчій провідності провідників.

Ефект шкіри не виникає в постійному струмі (DC) системах, оскільки струм рівномірно розподіляється по всьому поперечному перерізу провідника. Однак, в AC системах, особливо тих, які працюють на високих частотах, таких як радіо та мікрохвильові системи, ефект шкіри може мати значний вплив на проектування та аналіз ліній передачі та інших компонентів.

Що викликає ефект шкіри в лініях передачі?

Ефект шкіри викликається взаємодією магнітного поля, створеного AC струмом, з провідником. Як показано на рисунку нижче, коли AC струм проходить через циліндричний провідник, він створює магнітне поле навколо та всередині провідника. Напрямок та величина цього магнітного поля змінюються відповідно до частоти та амплітуди AC струму.

Згідно з законом Фарадея електромагнітної індукції, змінне магнітне поле індукує електричне поле в провіднику. Це електричне поле, в свою чергу, індукує протилежний струм у провіднику, відомий як завихряючий струм. Завихряючі струми циркулюють всередині провідника та протидіють початковому AC струму.

Завихряючі струми більш сильні поблизу середини провідника, де вони мають більше магнітне потокове зв'язування з початковим AC струмом. Тому вони створюють більше протилежне електричне поле та зменшують загальну щільність струму в середині. З іншого боку, поблизу поверхні провідника, де є менше магнітне потокове зв'язування з початковим AC струмом, є слабші завихряючі струми та менше протилежне електричне поле. Тому є більша загальна щільність струму на поверхні.

Це явище призводить до нерівномірного розподілу струму по поперечному перерізу провідника, з більшим струмом, що проходить поблизу поверхні, ніж поблизу середини. Це відомо як ефект шкіри в лініях передачі.

Як кількісно оцінити ефект шкіри в лініях передачі?

Один з способів кількісно оцінити ефект шкіри в лініях передачі - це використати параметр, відомий як глибина шкіри або δ (дельта). Глибина шкіри визначається як глибина під поверхнею провідника, де щільність струму зменшується до 1/e (приблизно 37%) від її значення на поверхні. Чим менша глибина шкіри, тим більш виражений ефект шкіри.

Глибина шкіри залежить від декількох факторів, таких як:

• Частота AC струму: Вища частота означає швидкіші зміни магнітного поля та сильніші завихряючі струми. Тому глибина шкіри зменшується зі зростанням частоти.

• Провідність провідника: Вища провідність означає нижчу опір та легший потік завихряючих струмів. Тому глибина шкіри зменшується зі зростанням провідності.

• Проникність провідника: Вища проникність означає більше магнітне потокове зв'язування та сильніші завихряючі струми. Тому глибина шкіри зменшується зі зростанням проникності.

• Форма провідника: Різні форми мають різні геометричні фактори, які впливають на розподіл магнітного поля та завихряючі струми. Тому глибина шкіри змінюється з різними формами провідників.

Формула для обчислення глибини шкіри для циліндричного провідника з круглим поперечним перерізом:

де:

• δ - глибина шкіри (в метрах)

• ω - кутова частота AC струму (в радіанах за секунду)

• μ - проникність провідника (в генрі на метр)

• σ - провідність провідника (в сіменах на метр)

Наприклад, для медного провідника з круглим поперечним перерізом, що працює на частоті 10 МГц, глибина шкіри становить:

Це означає, що лише тонкий шар 0.066 мм поблизу поверхні провідника несе більшість струму на цій частоті.

Як зменшити ефекти шкіри в лініях передачі?

Ефекти шкіри можуть викликати ряд проблем в лініях передачі, таких як:

• Збільшення втрат енергії та нагрівання провідника, що зменшує ефективність та надійність системи.

• Збільшення імпедансу та падіння напруги лінії передачі, що впливає на якість сигналу та доставку енергії.

• Збільшення електромагнітних завад та випромінювання від лінії передачі, що може впливати на сусідні пристрої та схеми.

Тому бажано якомога більше зменшити ефект шкіри в лініях передачі. Деякі методи, які можна використовувати для зменшення ефектів шкіри, включають:

• Використання провідників з вищою провідністю та нижчою проникністю, таких як мідь або срібло, замість заліза або сталі.

• Використання провідників з меншим діаметром або площою поперечного перерізу, що зменшує різницю між щільністю струму на поверхні та в середині.

• Використання стрічкових або плесених провідників замість цілісних, що збільшує ефективну площу поверхні провідника та зменшує завихряючі струми. Спеціальний тип стрічкового провідника, відомий як Litz wire, спроектований для мінімізації ефекту шкіри, завдяки тому, що стрічки закручуються таким чином, що кожна стрічка займає різні позиції в поперечному перерізі на своїй довжині.

• Використання порожніх або трубчастих провідників замість цілісних, що зменшує вагу та вартість провідника без значного впливу на його продуктивність. Порожня частина провідника не несе багато струму через ефект шкіри, тому її можна видалити без впливу на потік струму.

• Використання кількох паралельних провідників замість одного, що збільшує ефективну площу поперечного перерізу провідника та зменшує його опір. Цей метод також відомий як пучок або транспозиція.

• Зменшення частоти AC струму збільшує глибину шкіри та зменшує ефект шкіри. Проте це може бути неможливо для деяких застосувань, які потребують високочастотних сигналів.

Висновок

Ефект шкіри - це явище, яке виникає в лініях передачі, коли AC струм проходить через провідник. Він призводить до нерівномірного розподілу струму по поперечному перерізу провідника, з більшим струмом, що проходить поблизу поверхні, ніж поблизу середини. Це збільшує ефективний опір та імпеданс провідника та зменшує його ефективність та продуктивність.