اثر پوستی۱
“اثر پوستی” پدیده‌ای است که در هادیهای حامل جریان الکتریکی متناوب رخ میدهد و در نتیجه آن چگالی جریان الکتریکی عبوری از هادی در لایه‌های از هادی که به سطح خارجی آن نزدیک‌تر هستند بیشتر شده و هر بصورت شعاعی به مرکز هادی نزدیک می‌شویم چگالی جریان عبوری کمتر می‌گردد و نهایتا در خط مرکزی آن (محور هادی) به کمترین میزان ممکن می‌رسد.
شدت این پدیده با افزایش میزان فرکانس جریان متناوب عبوری از هادی بیشتر شده و بالعکس با کاهش آن کمتر می‌گردد به‌گونه‌ای که نهایتا در جریان الکتریکی مستقیم (جریان DC – فرکانس صفر)، میزان تاثیر اثر پوستی به صفر می‌رسد. و چگالی جریان عبوری از هادی در تمامی نقاط برابر می‌گردد.
شکلهای زیر میزان چگالی جریان الکتریکی عبوری از داخل هادی حامل جریان الکتریکی متناوب را در فرکانسهای مختلف نمایش میدهد:
علت وقوع پدیده پوستی
دلیل وقوع این پدیده نهایتا به “قانون لنز۲” برمی‌گردد. بدیهی است که با عبور جریان متناوب الکتریکی از یک هادی میدانهای مغناطیسی متناوب با زمان بصورت خطوط متحدالمرکز با محور آن در داخل و خارج هادی تشکیل می‌شوند. مطابق قانون لنز زمانی که دامنه جریان الکتریکی متغیر با زمان عبوری از هادی تغییر می‌کند، جریانهای الکتریکی جدیدی اینبار بصورت بسته در سطوح عمود بر میدان مغناطیسی داخل هادی در دو طرف محور هادی بوجود می‌آیند که میدان مغناطیسی ناشی از این جریانات با تغییرات ناشی از میدان مغناطیسی ناشی از جریان اصلی داخل هادی مقابله می‌نماید.
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” پدیده‌ای است با منشاء مشابه با “اثر پوستی” که در خصوص هادیهای همجوار حامل جریان الکتریکی و تمرکز چگالی جریان الکتریکی آن‌ها در فضای داخل آن‌ها توضیح میدهد.
“اثر مجاورتی” حکایت از آن می‌کند که در صورتی که دو هادی حامل جریان در مجاورت یکدیگر و تحت تاثیر میدانهای مغناطیسی بیرونی هم قرار بگیرند، در صورتی‌که جریانهای عبوری از آن‌ها همجهت باشد چگالی جریانهای الکتریکی آن‌ها در وجوه مقایل هم بیشتر خواهد بود و برعکس اگر جریانهای عبوری از آن‌ها غیر همجهت باشد چگالی جریانهای الکتریکی آن‌ها در وجوه غیر متقابل آن‌ها تمرکز بیشتری خواهد داشت بود.
مشابه قوانین و اصول حاکم بر پدیده اثر پوستی، در اثر مجاورتی هادیهای همجوار نیز با افزایش فرکانس جریان الکتریکی عبوری از آن‌ها “اثر مجاورتی” بطور محسوس‌تری احساس می‌شود.
روابط و کمیت‌های مرتبط با اثر پوستی و مجاورتی
برای فرمولیزه کردن پدیده پوستی و مجاورتی تعدادی کمیت و روایط ریاضی برای آن‌ها تعریف شده است، که در این قسمت به معرفی برخی از آن‌ها خواهیم پرداخت.
نخست نحوه توزیع چگالی جریان الکتریکی در سراسر سطح مقطع هادی می‌باشد، همانطور که پیشتر گفته شد بسبب اثر پوستی میزان چگالی جریان عبوری از هادی در نواحی نزدیک‌تر به سطح خارجی بیشتر بوده و رفته‌رفته با نزدیک شدن به مرکز هادی کمتر می‌شود، و شدت این موضوع با افزایش فرکانس جریان عبوری از هادی بیشتر احساس می‌شود، مطابق روابط تجربی بدست‌آمده توزیع چگالی جریان در سطح مقطع هادی بصورت نمایی و تابعی از فرکانس جریان‌عبوری از آن می‌باشد. رابطه زیر میزان چگالی جریان عبوری از مقطع هادی را برحسب فاصله مکانی از سطح بیرونی آن نشان میدهد:
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 می‌شود، فی‌الواقع با فاصله گرفتن به میزان عمق نفوذ جریان پوستی از سطح هادی چگالی جریان عبوری از هادی به ۳۷% مقدارآن در سطح هادی می‌رسد. روابط زیر نشان میدهد که تا فاصله عمق نفوذ جریان پوستی از سطح هادی میزان جریان عبور داده شده از مقطع هادی تا آن نقطه ۶۳% جریان کل می‌باشد.
1- Skin Effect
2- Lenz’s Law
3- Proximity Effect