تأثير جلدي (فيزياء)

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

تأثير سطحي أو تأثير جلدي (بالإنجليزية:Skin effect )

السمك المكافيء δ للموصل ، وتوزيع التيار في مقطع الموصل طبقا لكثافة اللون الأحمر.

هو انزياح كثافة الإلكترونات rرب سطح السلك أو الكبل عند توصيل تيار متردد ، فتكون كثافة التيار في وسط السلك خفيفة عن كثافته عند السطح . يحث هذا الـاثير خاصة في الكبلات السميكة جيدة التوصيل للكهرباء وكذلك في بعض العوازل المسخدمة في التوصيل الكهربائي. زيادة التأثير الجلدي تزيد من ممانعة الكبلات المعزولة ، وتزيد مقاومة كبلات التوصيل .

كما يوجد تاثير مشابه للتأثير السطحي وينشأ بين أسلاك حاملة للتيار وتكون قريبة من بعضها البعض . هذا التأثير الثاني يسمى تأثير القرب.

أسباب التأثير[عدل]

في موصل يتطابق التيار وتيارات دوامية.

ينشأ مجال مغناطيسي في داخل موصل كهربائي يحمل تيارا مستمرا مثل المجال المغناطيسي الذي ينشأ حوله. ولكن في حالة التيار المستمر تكون كثافة التيار متساوية عبر مقطع الموصل.

أما في حالة تيار متردد : تتغير قطبية التيار المار كما يتغير المجال المنغاطيسي مما يسبب نشأة تيارات دوامية تعمل على مقاومة تغير التيار فتخفض من كثافته في وسط الكبل . أي أن الإلكترونات ي تكون محاطة بخطوط المجال المغناطيسي في وسط الموصل أكثر من الإلكترونات القيبة من السطح . وفي حالة التيار المتردد يحث المجال المغناطيسي المتزايد في داخل الموصل ، يحث جهدا مضادا أكبر (ضغط أعلى) مما عند السطح .

فيكون الجهد المضاد أقصى ما يمكن في وسط الموصل مما يزيح التيار إلى حرف سطح الموصل . ويعمل ذلك على خفض مقطع الكبل الفعال ، وبالتالي تزداد ممانعة الموصل . وكلما زاد التردد كلما زاد هذا التأثير ، حيث يمر الجزء الأعظم من التيار في جزء رقيق تحت سطح الموصل عندما يرتفع التردد إلى تردد عالي .

وتقل التاثير الجلدي بزيادة الموصلية الكهربائية ، لذلك يكون من المناسب طلاء كابل من مادة غير جيدة التوصيل للكهرباء ، طلاؤها بمادة عالية التوصيل . لهذا يقل سمك الطبقة السطحية في الموصل المصنوع من الحديد - لأن الحديد له عدد نفاذية كبير (\mu_r > 1000) - وهو لا يكون مناسبا لنقل التيار المتردد ، وعلاوة على ذلك فموصلية الحديد للكهرباء ليست عالية.

حسابه[عدل]

العمق الجلدي  \delta المعتمد على التردد لسلك نحاسي
التردد δ
50 Hz 9,38 mm
60 Hz 8,57 mm
1 kHz 2,10 mm
5 kHz 0,94 mm
10 kHz 0,66 mm
50 kHz 0,30 mm
100 kHz 0,21 mm
500 kHz 0,094 mm = 94 µm
1 MHz 0,066 mm = 66 µm
10 MHz 0,021 mm = 21 µm
100 MHz 6,6 µm
1 GHz 2,1 µm
10 GHz 0,7 µm
100 GHz 0,2 µm

يتغير سمك الطبقة السطحية dالتي تتركز فيها شدة التيار J طبقا للدالة الأسية:

J=J_\mathrm{S} \,e^{-{d/\delta }}

حيث J_\mathrm{S} شدة التيار على السطح وما يعادلها من سمك \delta يمر فيه التيار . (نلاحظ أن الأس دائما عدد مطلق بدون وحدات ، فكلا من d و  \delta له وحدة مليمتر أو ميكرومتر). و يمكن اعتبار \delta في حالات كثيرة للموصلات الكهربائية بأنها تساوي:

\delta=\sqrt{\frac{2\rho }{\omega\mu}}

حيث:

\rho المقاومة النوعية للسلك . وهي تساوي مقلوب الموصلية الكهربائية \sigma لمادة السلك :
\rho = 1/\sigma
\omegaالتردد الزوي
\muالنفاذية المطلقة للسلك ، وهي عبارة عن

\mu=\mu_0 \cdot \mu_r ، حيث \mu_0 نفاذية الفراغ و \mu_r عدد النفاذية لمادة السلك .

هذه القيمة تعطي سمك موصل مكافيء له نفس المقاومة عند مرور تيار مستمر فيه ، مكافيء للسلك الذي يحدث فيه التأثير الجلدي عند التردد الزاوي \omega.

ينطبق هذا التقريب على موصل ذو مقطع دائري له نصف قطر r_L بحيث يكون صغيرا بالنسبة لطول الموصل وفي نفس الوقت كبيرا بالنسبة لـ \delta . في تلك الحالة تعطي  \delta العمق الذي تنخفض فيه شدة التيار إلى e^{-1} .

وتوجد معادل تقريبية تعطي المقاومة الفعلية لموصل  R بالنسبة لمقاومة التيار المستمر  R_{DC} :

\frac{R}{R_{DC}} = \left\{\begin{array}{lcc}1+\frac{1}{3} x^4 &\mbox{ für }& x<1\\x+ \frac{1}{4} + \frac{3}{64 x}&\mbox{ für }& x>1\end{array}\right.

حيث x=\frac{r_L}{2\delta}.[1]

اقرأ أيضا[عدل]

  1. ^ اكتب عنوان المرجع بين علامتي الفتح <ref> والإغلاق </ref> للمرجع K.C3.BCpfm.C3.BCller