اثر پوستی چیست؟
اثر پوستی پدیده‌ای است که در خطوط انتقال برق یا مخابرات رخ میدهد. این خطوط جریانهای متناوب با فرکانس‌های مختلف رو منتقل می‌کنند، و منجر به کاهش چگالی جریان در مرکز محور سیم و افزایش آن در لایه‌های بیرونی یا پوسته سیم میشود. در این مقاله میخوایم با این پدیده بیشتر آشنا بشیم و ببینیم اثر پوستی چه رفتاری در خطوط انتقال داره، پس با کارجویا همراه باشید.
موضوعات مورد بررسی در این مقاله :
- مقدمه
- اثرپوستی و چگونگی تاثیر آن بر تجهیزات الکتریکی
- جمع بندی
می توانید مقالات دیگر را نیز در سایت کارجویا در ارتباط با مهندسی برق مشاهده بفرمایید.
—————————
مقدمه
وقتی جریان AC از طریق یک هادی جاری میشه، چگالی جریان در سراسر مقطع هادی به صورت یکنواخت مثل DC نیست. در عوض، همونطور که در شکل ۱ مشخصه جریان به سوی سطح هادی متمرکز میشه. چگالی جریان در نقاط نزدیک به سطح هادی بیشترین مقدار خودش رو داره و هرچی به مرکز هادی نزدیک‌تر بشیم به صورت نمایی کمتر میشه. این پدیده به عنوان اثر پوستی شناخته میشه و از نیروی برون سویی که روی بارهای متحرکِ ناشی از میدان مغناطیسی، ناشی میشه.
عمق پوسته (ẟ) با معادله زیر محاسبه میشه که در اون σ رسانایی ماده، µ نفوذپذیری مغناطیسی و f فرکانس AC هستش :
میتونیم از معادله بالا نتیجه بگیریم که وقتی فرکانس افزایش پیدا کنه، عمق پوسته کم میشه. اگر از یک هادی مسی استفاده کنیم، عمق پوسته در فرکانس طبیعی شبکه (عموما ۵۰ هرتز در نظر گرفته میشود) فقط ۹.۳ میلی‌متر است. این مقدار در فرکانس ۶۰ هرتز کمی کمتر میشه و در ۱ مگاهرتز، عمق پوسته به ۰.۰۶ میلی‌متر میرسه. شکل ۲ نموداری هستش که عمق پوسته نسبت به فرکانس برای یک هادی مسی رو نمایش میده.
اثر پوستی و چگونگی تاثیر آن بر تجهیزات الکتریکی
اثر پوستی در طراحی مغناطیس‌های منبع تغذیه حالت سوئیچ شده بسیار مهمه و توضیح میدهد که چرا سیم پیچ‌های با جریان و فرکانس بالا اغلب از فویل نازک مسی، چندین سیم به هم تابانده شده با خاصیت عایقی به صورت موازی یا لیتز وایر ساخته می‌شوند. همونطور که در شکل ۳ نشان داده شده لیتز وایر شامل بسیاری از سیم پیچ‌های نازک از سیم‌های عایقی که به هم تابانده شده یا به اصطلاح باندل شده اند، میشود. قطر این سیم‌ها در حدود ۰.۱ میلی‌متر است و ممکنه هزاران سیم پیچ در یک سیم واحد وجود داشته باشد.
حتی در فرکانس‌ها طبیعی شبکه، اگر نیاز به جریانهای بسیار بزرگ باشه، باید برای اثر پوستی فکری بکنیم. اگر جریان در مرکز هادی کم و عمق پوسته کمتر از ۱۰ میلی‌متر باشه به این معناست که برش مقطع به صورت دایره‌ای با قطر بیش از ۱۵-۲۰ میلی‌متر تاثیری در کاهش اثر پوستی نداره و به جای اون، به طور معمول از بارهای شبکه با مقطع مستطیلی برای این منظور استفاده میشود.
بارهای شبکه مستطیلی می‌توانند تا ۲۰۰ میلی‌متر عرض داشته باشند، اما ضخیم‌تر از ۶ میلی‌متر هستند، یعنی هیچ نقطه‌ای در هادی بیش از ۳ میلی‌متر از سطح دور نیست. همچنین مقطع مستطیلی دو مزیت دیگر دارد:
دوم، اتصال اونها با همپوشانی سطوح مسطح بزرگ هستش و محکم کردن اونها با پیچ و مهره آسان تره. البته این ویژگی و استفاده از دو میله به صورت موازی در شکل ۴ به خوبی نشون داده شده.
هر هادی از چندین هادی نازک که به هم تابانده شده اند یا یک کابل واحد را تشکیل دهند، ایجاد شده است و زمانی که هادی انعطاف‌پذیر لازم داشته باشیم، از این روش استفاده می کنیم. برای انجام این کار سیم‌های مستقل باید نسبت به هم عایق باشند.
جمع بندی
متوجه شدیم که اثر پوستی موجب عدم یکنواختی چگالی جریان در مقطع سیم میشه و هرچه فرکانس جریان بیشتر بشه، اثر پوستی بروز بیشتری پیدا میکنه و جریانهای مخالف و مکرر ایجاد شده موسوم به جریانهای گردابی رو در مرکز سیم افزایش میده. به همین دلیل اثر پوستی در فرکانس‌های بالا مقاومت در برابر عبور جریان رو زیادتر میکنه. همچنین با توجه به مطالب گفته شده، فهمیدیم که برای کاهش اثر پوستی در خطوط انتقال نیرو، از باندِل کردن (bundle) خطوط استفاده میشود. به شکلی که به جای یک خط انتقال، از چند خط برای انتقال همان انرژی استفاده میشه.
امیدوارم این مقاله از کارجویا هم براتون مفید واقع شده باشه و همچنان با ما و مقاله هامون همراه بمونید.
منبع :
