اثر پوستی۱
«اثر پوستی» پدیده ای است که در هادی های حامل جریان الکتریکی متناوب رخ میدهد و در نتیجه آن چگالی جریان الکتریکی عبوری از هادی در لایه های از هادی که به سطح خارجی آن نزدیک تر هستند بیشتر شده و هر بصورت شعاعی به مرکز هادی نزدیک می شویم چگالی جریان عبوری کمتر می گردد و نهایتا در خط مرکزی آن (محور هادی) به کمترین میزان ممکن می رسد.
شدت این پدیده با افزایش میزان فرکانس جریان متناوب عبوری از هادی بیشتر شده و بالعکس با کاهش آن کمتر میگردد به گونه ای که نهایتا در جریان الکتریکی مستقیم (جریان DC – فرکانس صفر)، میزان تاثیر اثر پوستی به صفر می رسد. و چگالی جریان عبوری از هادی در تمامی نقاط برابر می گردد. شکل های زیر میزان چگالی جریان الکتریکی عبوری از داخل هادی حامل جریان الکتریکی متناوب را در فرکانس های مختلف نمایش می دهد:
علت وقوع پدیده پوستی
دلیل وقوع این پدیده نهایتا به “قانون لنز۲” برمی گردد. بدیهی است که با عبور جریان متناوب الکتریکی از یک هادی میدان های مغناطیسی متناوب با زمان بصورت خطوط متحدالمرکز با محور آن در داخل و خارج هادی تشکیل می شوند. مطابق قانون لنز زمانی که دامنه جریان الکتریکی متغیر با زمان عبوری از هادی تغییر می کند، جریان های الکتریکی جدیدی این بار بصورت بسته در سطوح عمود بر میدان مغناطیسی داخل هادی در دو طرف محور هادی بوجود می آیند که میدان مغناطیسی ناشی از این جریانات با تغییرات ناشی از میدان مغناطیسی ناشی از جریان اصلی داخل هادی مقابله می نماید. بدیهی است که هر چه میزان فرکانس جریان متناوب عبوری بیشتر شود، شدت وقوع این پدیده بیشتر و سریع تر خواهد بود.
اثر مجاورتی۳
“اثر مجاورتی” پدیده ای است با منشاء مشابه با “اثر پوستی” که در خصوص هادیهای همجوار حامل جریان الکتریکی و تمرکز چگالی جریان الکتریکی آن ها در فضای داخل آن ها توضیح می دهد.
“اثر مجاورتی” حکایت از آن می کند که در صورتی که دو هادی حامل جریان در مجاورت یکدیگر و تحت تاثیر میدانهای مغناطیسی بیرونی هم قرار بگیرند، در صورتی که جریان های عبوری از آن ها هم جهت باشد چگالی جریان های الکتریکی آن ها در وجوه مقایل هم بیشتر خواهد بود و برعکس اگر جریان های عبوری از آن ها غیر هم جهت باشد چگالی جریان های الکتریکی آن ها در وجوه غیر متقابل آن ها تمرکز بیشتری خواهد داشت بود.
مشابه قوانین و اصول حاکم بر پدیده اثر پوستی، در اثر مجاورتی هادی های همجوار نیز با افزایش فرکانس جریان الکتریکی عبوری از آن ها “اثر مجاورتی” بطور محسوس تری احساس می شود.
روابط و کمیتهای مرتبط با اثر پوستی و مجاورتی
برای فرمولیزه کردن پدیده پوستی و مجاورتی تعدادی کمیت و روایط ریاضی برای آن ها تعریف شده است، که در این قسمت به معرفی برخی از آن ها خواهیم پرداخت. نخست نحوه توزیع چگالی جریان الکتریکی در سراسر سطح مقطع هادی می باشد، همانطور که پیشتر گفته شد بسبب اثر پوستی میزان چگالی جریان عبوری از هادی در نواحی نزدیک تر به سطح خارجی بیشتر بوده و رفته رفته با نزدیک شدن به مرکز هادی کمتر می شود، و شدت این موضوع با افزایش فرکانس جریان عبوری از هادی بیشتر احساس می شود، مطابق روابط تجربی بدست آمده توزیع چگالی جریان در سطح مقطع هادی بصورت نمایی و تابعی از فرکانس جریان عبوری از آن می باشد. رابطه زیر میزان چگالی جریان عبوری از مقطع هادی را برحسب فاصله مکانی از سطح بیرونی آن نشان می دهد:
در رابطه فوق J0، چگالی جریان عبوری در نقاط سطحی هادی (حداکثر میزان چگالی) و δ کمیتی است که با عنوان “عمق نفوذ جریان پوستی” تعریف می شود، فی الواقع با فاصله گرفتن به میزان عمق نفوذ جریان پوستی از سطح هادی چگالی جریان عبوری از هادی به ۳۷% مقدار آن در سطح هادی می رسد. روابط زیر نشان می دهد که تا فاصله عمق نفوذ جریان پوستی از سطح هادی میزان جریان عبور داده شده از مقطع هادی تا آن نقطه ۶۳% جریان کل می باشد.
پاورقی:
1- Skin Effect
2- Lenz’s Law
3- Proximity Effect