در این مقاله به بررسی اثر پوستی، علل آن و عوامل موثر بر آن می پردازیم. به طور خلاصه، جریان بر روی سطح هادی را اثر پوستی می گویند. دلیل این امر در ادامه این پست توضیح داده شده است. هنگامی که با پروژه های dc جریان کم سروکار دارید، سیم ها و کابل ها ساده هستند و به عنوان هادی های ساده با مقاومت اساساً صفر عمل می کنند. با این حال، وقتی جریان‌های dc را با جریان‌های ac با فرکانس بسیار بالا جایگزین می‌کنید، اتفاقات عجیبی در سیم‌ها رخ می‌دهد. همانطور که خواهید دید، این “چیزهای عجیب و غریب” به شما اجازه نمی دهند که سیم ها را به عنوان رسانای عالی در نظر بگیرید. اثر پوستی یکی از آنهاست.

آنچه در سیم می‌گذرد

ابتدا، بیایید نگاهی به آنچه در سیم می‌گذرد، بیندازیم وقتی جریان dc از آن عبور می‌کند. سیمی که به منبع dc متصل است باعث می شود که الکترون ها از طریق سیم به روشی مشابه جریان آب از طریق لوله جریان پیدا کنند. این به این معنی است که مسیر هر الکترون اساساً می تواند در هر جایی از حجم سیم باشد (به عنوان مثال مرکز، شعاع میانی، سطح).

حال، بیایید نگاهی بیندازیم که وقتی جریان AC با فرکانس بالا از طریق یک سیم ارسال می شود چه اتفاقی می افتد. ولتاژ ac اعمال شده در یک سیم باعث می شود الکترون ها به جلو و عقب ارتعاش کنند. در فرآیند ارتعاش، الکترون ها میدان های مغناطیسی تولید می کنند. با اعمال برخی از اصول فیزیکی (پیدا کردن نیروهای وارد بر هر الکترون که از جمع نیروهای مغناطیسی منفرد تولید شده توسط هر الکترون حاصل می شود)، متوجه می شوید که الکترون ها به سمت سطح سیم رانده می شوند. با افزایش فرکانس سیگنال اعمال شده، الکترون ها بیشتر از مرکز و به سمت سطح رانده می شوند. در این فرآیند، ناحیه مرکزی سیم از الکترون های رسانا خالی می شود.

اثر پوستی چیست؟

حرکت الکترون ها به سمت سطح سیم در شرایط فرکانس بالا اثر پوستی نامیده می شود. در فرکانس های پایین، تأثیر زیادی بر رسانایی (یا مقاومت) سیم ندارد. با این حال، با افزایش فرکانس، مقاومت سیم ممکن است به یک عامل تأثیرگذار تبدیل شود. یکی از کارهایی که می‌توان برای کاهش مقاومت ناشی از اثرات پوستی انجام داد، استفاده از سیم رشته‌ای است. به طور خلاصه، جریان بر روی سطح هادی را اثر پوستی می نامند.

به دلیل اثر پوستی:

Rac > Rdc

زیرا مقاومت هادی را افزایش می دهد.

علل بروز اثر پوستی

یک هادی جامد فرض می‌شود که متشکل از تعداد زیادی رشته است که هر کدام بخش کوچکی از جریان را حمل می‌کنند. اندوکتانس هر قسمت از رشته بسته به موقعیت آن متفاوت است. بنابراین رشته‌های نزدیک به مرکز توسط شار مغناطیسی بزرگ‌تری احاطه شده‌اند که اندوکتانس زیادی نسبت به سطح دارد. راکتانس بالای رشته های خطی باعث می شود که جریان AC در نزدیکی سطح هادی جریان یابد. سطح موثر سطح مقطع هادی به دلیل این اثر پوستی کاهش می یابد.

اثر پوستی با:

فرکانس های بیش از 50 هرتز

اندازه هادی بیش از 1 سانتی متر مربع است

پس از درک پدیده های اثر پوستی، اجازه دهید ببینیم که چرا این امر در مورد سیستم AC بوجود می آید. برای داشتن درک روشنی از این نگاه به نمای مقطعی هادی در جریان جریان متناوب که در نمودار زیر آورده شده است. اجازه دهید در ابتدا رسانای جامد را به چند رشته حلقوی تقسیم شده در نظر بگیریم که با فواصل بی نهایت کم از هم فاصله دارند، به طوری که هر رشته کسری بی نهایت کوچک از جریان کل را حمل می کند.

مانند اگر جریان کل = I

اجازه دهید رسانا را به n رشته ای تقسیم شود که جریان “i” را حمل می کند به طوری که I = n i.

اکنون در طول جریان یک جریان متناوب، رشته‌های حامل جریان که روی هسته قرار دارند، با کل مقطع رسانا از جمله رشته‌های سطح و همچنین رشته‌های موجود در هسته، پیوند شار دارند. در حالی که شار ایجاد شده توسط رشته های بیرونی فقط به خود سطح محدود می شود و قادر به پیوند با رشته های داخلی نیست. بنابراین پیوند شار رسانا با نزدیک شدن به هسته افزایش می یابد و با همان سرعت القایی را افزایش می دهد. رابطه تناسب مستقیم با پیوند شار دارد.

در نتیجه، راکتانس القایی بزرگ‌تری در مقایسه با بخش‌های بیرونی رسانا به هسته القا می‌شود. مقدار بالای راکتانس در بخش داخلی باعث می شود که جریان به صورت غیر یکنواخت توزیع شود و قسمت عمده جریان را مجبور به عبور از سطح بیرونی یا پوسته کند و باعث ایجاد پدیده ای به نام اثر پوستی در خطوط انتقال شود.

عوامل موثر بر اثر پوستی در خطوط انتقال

اثر پوستی در سیستم AC به عوامل زیر بستگی دارد:

(1) قطر سیم

هنگامی که قطر سیم رسانا افزایش می یابد، اثر پوستی به شدت افزایش می یابد. این اثر زمانی ناچیز است که قطر سیم کمتر از 1 سانتی متر باشد.

(2) فرکانس

اثر پوستی مستقیماً با فرکانس عرضه متناسب است (یعنی با فرکانس افزایش می یابد). زمانی که فرکانس کمتر از 50 هرتز باشد ناچیز است.

(3) شکل سیم

برای به حداقل رساندن اثر پوستی، شکل سیم برای یک هادی رشته‌ای باید کمتر از یک هادی جامد باشد. برای کاهش آن از هادی های رشته ای در خطوط انتقال و توزیع استفاده می شود.

(4) ماهیت مواد

یکی دیگر از عوامل موثر بر اثر پوستی در خطوط انتقال ماهیت مواد است.

خطوط انتقال

پدیده های ناشی از توزیع نابرابر جریان در کل مقطع هادی مورد استفاده برای انتقال نیرو در فواصل دور به عنوان اثر پوستی در خطوط انتقال نامیده می شود. چنین پدیده ای در صورت خط بسیار کوتاه نقش چندانی ندارد، اما با افزایش طول موثر هادی ها، اثر پوستی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. بنابراین اصلاحات در محاسبه خط باید بر این اساس انجام شود.

توزیع جریان در کل سطح مقطع هادی در مورد سیستم DC کاملاً یکنواخت است. اما آنچه که ما در عصر حاضر از مهندسی سیستم قدرت استفاده می‌کنیم، عمدتاً یک سیستم جریان متناوب است، که در آن جریان با چگالی بالاتری از سطح هادی‌ها (یعنی پوسته هادی) جریان می‌یابد و باعث می‌شود هسته از جریان خارج شود.

در واقع، حتی شرایطی ایجاد می‌شود که مطلقاً هیچ جریانی از هسته جریان نداشته باشد و کل مقدار را روی منطقه سطح متمرکز کند. ، بنابراین مقاومت الکتریکی موثر هادی افزایش می یابد. این روند خاص یک سیستم انتقال AC برای اتخاذ مسیر سطحی برای جریان جریانی که هسته را از بین می برد، به عنوان اثر پوستی در خطوط انتقال نامیده می شود.