Efek kulit adalah kecenderungan bolak arus listrik (AC) untuk menjadi didistribusikan dalam konduktor sehingga kerapatan arus terbesar dekat permukaan konduktor, dan menurun dengan kedalaman yang lebih besar dalam konduktor. Arus listrik mengalir terutama pada "kulit" dari konduktor, antara permukaan luar dan tingkat disebut kedalaman kulit. Efek kulit menyebabkan resistansi efektif konduktor meningkat pada frekuensi yang lebih tinggi di mana kedalaman kulit lebih kecil, sehingga mengurangi penampang efektif konduktor. Efek kulit adalah karena menentang arus eddy yang disebabkan oleh medan magnet yang berubah akibat arus bolak-balik. Pada 60 Hz tembaga, kedalaman kulit sekitar 8,5 mm. Pada frekuensi tinggi kedalaman kulit menjadi jauh lebih kecil. Peningkatan resistensi AC karena efek kulit dapat dikurangi dengan menggunakan kawat litz khusus tenun. Karena interior konduktor besar membawa begitu sedikit dari saat ini, konduktor tubular seperti pipa dapat digunakan untuk menghemat berat dan biaya

PenyebabKedalaman kulit ini disebabkan oleh pusaran arus yang beredar (yang timbul dari bidang H berubah) membatalkan aliran arus di tengah konduktor dan memperkuat dalam kulit.Konduktor, biasanya dalam bentuk kabel, dapat digunakan untuk mengirimkan energi listrik atau sinyal menggunakan arus bolak-balik yang mengalir melalui konduktor itu. Pembawa muatan merupakan saat itu, biasanya elektron, didorong oleh medan listrik karena sumber energi listrik. Arus bolak-balik di konduktor menghasilkan medan magnet bolak dalam dan di sekitar konduktor. Ketika intensitas saat ini dalam perubahan konduktor, medan magnet juga berubah. Perubahan medan magnet, pada gilirannya, menciptakan medan listrik yang menentang perubahan intensitas saat ini. Menentang medan listrik ini disebut "kontra-elektro kekuatan" (kembali EMF). EMF kembali paling kuat di pusat konduktor, dan memaksa elektron melakukan ke luar konduktor, seperti yang ditunjukkan dalam diagram di sebelah kanan. [1]Arus bolak-balik juga dapat diinduksi dalam konduktor karena medan magnet bolak menurut hukum induksi. Gelombang elektromagnetik menimpa konduktor karena itu akan umumnya menghasilkan arus tersebut; ini menjelaskan refleksi dari gelombang elektromagnetik dari logam.Terlepas dari kekuatan pendorong, kepadatan arus ditemukan menjadi terbesar di permukaan konduktor, dengan besaran penurunan lebih dalam konduktor. Penurunan yang kepadatan arus dikenal sebagai efek kulit dan kedalaman kulit adalah ukuran kedalaman di mana kepadatan arus jatuh ke 1 / e dari nilai dekat permukaan. Lebih dari 98% dari arus akan mengalir dalam lapisan 4 kali kedalaman kulit dari permukaan. Perilaku ini berbeda dari yang langsung saat ini yang biasanya akan didistribusikan secara merata di atas penampang kawat.Efeknya pertama kali dijelaskan dalam makalah oleh Horace Domba pada tahun 1883 untuk kasus konduktor bola, dan digeneralisasi untuk konduktor bentuk apapun oleh Oliver Heaviside pada 1885. Efek kulit memiliki konsekuensi praktis dalam analisis dan desain frekuensi radio dan sirkuit microwave, jalur transmisi (atau pandu), dan antena. Hal ini juga penting di induk frekuensi (Hz 50-60) di AC transmisi tenaga listrik dan sistem distribusi. Meskipun istilah "efek kulit" yang paling sering dikaitkan dengan aplikasi yang melibatkan transmisi arus listrik, kedalaman kulit juga menjelaskan peluruhan eksponensial dari medan listrik dan magnetik, serta kepadatan arus induksi, di dalam bahan massal ketika pesawat gelombang pengaruh pada itu pada kejadian normal.

RumusAC kepadatan J saat ini dalam konduktor berkurang secara eksponensial dari nilai pada JS permukaan sesuai dengan d kedalaman dari permukaan, sebagai berikut:

J = J_ \ mathrm {S} \, e ^ {- {d / \ delta}}di mana disebut kedalaman kulit. Kedalaman kulit sehingga didefinisikan sebagai kedalaman di bawah permukaan konduktor di mana kepadatan saat ini telah jatuh ke 1 / e (sekitar 0,37) dari JS. Dalam kasus normal baik diperkirakan sebagai:

\ Delta = \ sqrt {{2 \ rho} \ lebih {\ omega \ mu_r \ mu_0}}.dimana

\ Rho = resistivitas konduktor\ Omega = frekuensi sudut arus = 2 frekuensi\ Mu_r = permeabilitas magnetik relatif konduktor\ Mu_0 = permeabilitas ruang bebasSebuah ekspresi yang lebih umum untuk kedalaman kulit yang lebih tepat dalam kasus konduktor miskin (non-logam) pada frekuensi tinggi adalah: [2] [3]

\ Delta = \ kiri ({1 \ over \ omega} \ right) \ kiri \ lbrace \ kiri ({{\ mu \ epsilon} \ lebih dari 2} \ right) \ kiri [\ kiri (1 + \ kiri ({1 \ lebih {\ rho \ omega \ epsilon}} \ right) ^ 2 \ right) ^ {} 1/2 -1 \ right] \ right \ rbrace ^ {- 1/2}dimana

\ Mu = \ mu_r \ mu_0\ Epsilon_r = permitivitas relatif bahan\ Epsilon_0 = permitivitas ruang bebas\ Epsilon = \ epsilon_r \ epsilon_0Perhatikan bahwa dalam bentuk biasa untuk efek kulit, di atas, efek \ epsilon membatalkan. Formula ini berlaku dari resonansi atom atau molekul yang kuat (di mana \ epsilon akan memiliki bagian imajiner besar) dan pada frekuensi yang jauh dibawah kedua frekuensi plasma material (tergantung pada kepadatan elektron bebas dalam material) dan timbal balik dari Sementara itu antara tabrakan yang melibatkan elektron konduksi. Dalam konduktor yang baik seperti logam semua kondisi tersebut dipastikan setidaknya sampai frekuensi gelombang mikro, membenarkan validitas ini rumus ini.

Formula ini dapat disusun kembali sebagai berikut untuk mengungkapkan keberangkatan dari pendekatan normal:

\ Delta = \ sqrt {{2 \ rho} \ lebih {\ omega \ mu}}\; \; \ Sqrt {\ sqrt {1 + \ kiri ({\ rho \ omega \ epsilon} \ right) ^ 2}+ \ Rho \ omega \ epsilon}Pada frekuensi jauh di bawah 1 / \ rho \ epsilon kuantitas dalam radikal dekat persatuan dan rumus standar berlaku. Misalnya, dalam kasus tembaga ini akan berlaku untuk frekuensi jauh di bawah 1018 Hz.

Namun dalam konduktor yang sangat miskin pada frekuensi yang cukup tinggi, faktor pada kenaikan yang tepat. Pada frekuensi yang jauh lebih tinggi dari 1 / \ rho \ epsilon dapat menunjukkan bahwa kedalaman kulit, daripada terus menurun, mendekati nilai asymptotic:

\ Delta \ approx {2 \ rho} \ sqrt {\ epsilon \ lebih \ mu}Keberangkatan ini dari rumus biasa hanya berlaku untuk bahan konduktivitas lebih rendah dan pada frekuensi di mana panjang gelombang vakum tidak lebih besar dari kedalaman kulit itu sendiri. Misalnya, silikon massal (undoped) adalah konduktor miskin dan memiliki kedalaman kulit sekitar 40 meter pada 100 kHz ( = 3000 m). Namun sebagai frekuensi meningkat baik ke kisaran megahertz, kedalaman kulit yang tidak pernah turun di bawah nilai asymptotic 11 meter. Kesimpulannya adalah bahwa dalam konduktor padat seperti silikon undoped, efek kulit tidak perlu diperhitungkan dalam situasi yang paling praktis: saat apapun merata di seluruh penampang bahan terlepas dari frekuensi.

TahananTahanan efektif karena saat ini terbatas di dekat permukaan konduktor besar (lebih tebal dari ) dapat diselesaikan sebagai jika arus mengalir merata melalui lapisan tebal berdasarkan DC resistivitas material itu. Oleh karena itu kita dapat mengasumsikan luas penampang kurang lebih sama dengan kali keliling konduktor. Jadi konduktor silinder panjang seperti kawat, memiliki diameter D besar dibandingkan dengan , memiliki ketahanan yang kurang bahwa tabung berongga dengan ketebalan dinding membawa arus searah. Menggunakan bahan resistivitas \ rho kita kemudian menemukan resistance AC dari kawat panjang L menjadi:

R \ approx{{L \ rho} \ lebih {\ pi (D- \ delta) \ delta}}\ Approx{{L \ rho} \ lebih {\ pi D \ delta}}Pendekatan akhir atas mengasumsikan D \ gg \ delta.

Sebuah formula yang nyaman (dikaitkan dengan FE Terman) untuk diameter DW dari kawat melingkar penampang yang tahan akan meningkat sebesar 10% pada frekuensi f adalah: [4]

D_ \ mathrm {W} = {\ frac {200 ~ \ mathrm {mm}} {\ sqrt {f / \ mathrm {Hz}}}}Peningkatan resistensi AC yang dijelaskan di atas adalah akurat hanya untuk kawat terisolasi. Untuk kawat dekat dengan kabel lain, misalnya di kabel atau koil, resistensi ac juga dipengaruhi oleh efek kedekatan, yang sering menyebabkan peningkatan jauh lebih parah dalam perlawanan ac.

Dampak material terhadap kedalaman kulitDalam konduktor yang baik, kedalaman kulit sebanding dengan akar kuadrat dari resistivitas. Ini berarti bahwa konduktor yang lebih baik memiliki kedalaman kulit berkurang. Hambatan keseluruhan konduktor yang lebih baik tetap rendah bahkan dengan kedalaman kulit berkurang. Namun konduktor yang lebih baik akan menunjukkan rasio yang lebih tinggi antara yang AC dan DC resistance, bila dibandingkan dengan konduktor resistivitas tinggi. Sebagai contoh, pada 60 Hz, 2000 MCM (1000 milimeter persegi) konduktor tembaga memiliki 23% lebih tahan daripada yang dilakukannya di DC. Sama ukuran konduktor aluminium hanya memiliki 10% lebih banyak perlawanan dengan 60 Hz AC daripada yang dilakukannya dengan DC.

Kedalaman kulit juga bervariasi sebagai akar kuadrat terbalik dari permeabilitas konduktor. Dalam kasus besi, konduktivitas adalah sekitar 1/7 yang tembaga. Namun menjadi feromagnetik permeabilitas adalah sekitar 10.000 kali lebih besar. Hal ini mengurangi kedalaman kulit untuk besi sekitar 1/38 yang tembaga, sekitar 220 mikrometer pada 60 Hz. Kawat besi dengan demikian berguna untuk saluran listrik AC (kecuali untuk menambah kekuatan mekanik dengan melayani sebagai inti untuk konduktor feromagnetik non seperti aluminium). Efek kulit juga mengurangi ketebalan efektif laminasi di transformator daya, meningkatkan kerugian mereka.

Batang besi bekerja dengan baik untuk arus searah (DC) pengelasan tetapi tidak mungkin untuk menggunakannya pada frekuensi yang lebih tinggi dari 60 Hz. Pada beberapa kilohertz, batang las akan bersinar merah panas seperti arus mengalir melalui sangat meningkat perlawanan AC yang dihasilkan dari efek kulit, dengan kekuatan yang relatif sedikit yang tersisa untuk busur itu sendiri. Hanya batang non-magnetik dapat digunakan untuk frekuensi tinggi pengelasan.

Mitigasi (Peringanan)Sebuah jenis kabel yang disebut litz kawat (dari Jerman Litzendraht, dikepang kawat) digunakan untuk mengurangi efek kulit untuk frekuensi dari beberapa kilohertz sekitar satu megahertz. Ini terdiri dari sejumlah kawat untai terisolasi dijalin bersama dalam pola dirancang dengan hati-hati, sehingga medan magnet keseluruhan bertindak sama pada semua kabel dan menyebabkan arus total yang harus didistribusikan secara merata di antara mereka. Dengan efek kulit memiliki sedikit efek pada setiap helai tipis, bundel tidak mengalami peningkatan yang sama dalam perlawanan AC yang konduktor padat luas penampang yang sama akan jatuh tempo untuk efek kulit.

Kawat Litz sering digunakan dalam gulungan transformator frekuensi tinggi untuk meningkatkan efisiensi mereka dengan mengurangi kedua efek kulit dan efek kedekatan. Transformator daya besar yang luka dengan konduktor terdampar konstruksi mirip dengan kawat litz, tapi mempekerjakan lebih besar penampang sesuai dengan kedalaman kulit yang lebih besar di induk frekuensi. [8] benang konduktif terdiri dari nanotube karbon [9] telah dibuktikan sebagai konduktor untuk antena dari gelombang menengah ke frekuensi gelombang mikro. Tidak seperti konduktor antena standar, nanotube jauh lebih kecil dari kedalaman kulit, yang memungkinkan pemanfaatan penuh dari benang penampang yang mengakibatkan antena sangat ringan.

Tegangan tinggi, tinggi-saat ini saluran listrik overhead yang sering menggunakan kabel aluminium dengan baja tulangan inti; resistensi yang lebih tinggi dari inti baja ada konsekuensinya karena terletak jauh di bawah kedalaman kulit di mana dasarnya tidak ada arus AC mengalir.

pengurangan efek Kulit dari induktansi konduktorLihat diagram di bawah ini menunjukkan konduktor dalam dan luar dari kabel koaksial. Karena efek kulit menyebabkan arus pada frekuensi tinggi mengalir terutama pada permukaan konduktor, dapat dilihat bahwa ini akan mengurangi medan magnet di dalam kawat, yaitu, di bawah kedalaman di mana sebagian besar arus mengalir. Hal ini dapat menunjukkan bahwa ini akan memiliki efek kecil pada diri induktansi dari kawat itu sendiri; melihat Skilling [11] atau Hayt [12] untuk perawatan matematika dari fenomena ini.Perhatikan bahwa induktansi dipertimbangkan dalam konteks ini mengacu pada konduktor telanjang, tidak induktansi dari kumparan digunakan sebagai elemen sirkuit. Induktansi dari kumparan didominasi oleh induktansi timbal balik antara putaran kumparan yang meningkatkan induktansi sesuai dengan kuadrat jumlah putaran. Namun ketika hanya kawat tunggal yang terlibat, maka di samping "induktansi eksternal" yang melibatkan medan magnet luar kawat (karena arus total dalam kawat) seperti yang terlihat di wilayah putih dari gambar di bawah ini, ada juga komponen yang jauh lebih kecil dari "induktansi internal" karena medan magnet di dalam kawat itu sendiri, wilayah hijau pada gambar B. Dalam satu kawat induktansi internal yang menjadi penting sedikit ketika kawat jauh lebih lama dari diameter. Kehadiran konduktor kedua dalam kasus saluran transmisi memerlukan perlakuan yang berbeda seperti yang dibahas di bawah.Karena efek kulit, pada frekuensi tinggi induktansi internal kawat lenyap, seperti yang dapat dilihat dalam kasus sepasang telepon memutar, di bawah ini. Dalam kasus normal efek induktansi internal diabaikan dalam desain kumparan atau menghitung sifat-sifat microstrips.Induktansi per panjang dalam kabel koaksial [sunting]Biarkan dimensi a, b, dan c menjadi jari-jari konduktor dalam, perisai (konduktor luar) dalam radius dan perisai jari-jari luar masing-masing, seperti yang terlihat di crossection dari gambar A di bawah ini.

Empat tahap efek kulit dalam membujuk yang menunjukkan efek pada induktansi. Diagram menunjukkan penampang kabel koaksial. Kode warna: hitam = keseluruhan isolasi selubung, tan = konduktor, putih = dielectric, hijau = saat ini menjadi diagram, biru = saat keluar dari diagram, garis hitam putus-putus dengan panah = fluks magnetik (B). Lebar garis hitam putus-putus dimaksudkan untuk menunjukkan kekuatan relatif medan magnet yang terintegrasi selama lingkar di radius itu. Empat tahap, A, B, C, dan D adalah non-energi, frekuensi rendah, frekuensi menengah dan frekuensi tinggi masing-masing. Ada tiga wilayah yang mungkin berisi disebabkan medan magnet: konduktor pusat, dielektrik dan konduktor luar. Pada tahap B, saat ini meliputi konduktor seragam dan ada medan magnet signifikan di semua tiga wilayah. Sebagai frekuensi meningkat dan efek kulit mengambil terus (C dan D) medan magnet di wilayah dielektrik tidak berubah karena sebanding dengan total arus yang mengalir di pusat konduktor. Dalam C, namun, ada medan magnet berkurang di bagian yang lebih dalam dari konduktor dalam dan bagian luar dari perisai (konduktor luar). Jadi ada sedikit energi yang tersimpan dalam medan magnet diberikan arus total yang sama, sesuai dengan induktansi berkurang. Pada frekuensi yang lebih tinggi, D, kedalaman kulit kecil: semua saat ini terbatas pada permukaan konduktor. Satu-satunya medan magnet di daerah antara konduktor; hanya "induktansi eksternal" tetap.Untuk saat ini diberikan, total energi yang tersimpan dalam medan magnet harus sama dengan energi listrik yang dihitung dikaitkan dengan yang saat ini mengalir melalui induktansi dari membujuk; energi yang sebanding dengan kabel diukur induktansi.Medan magnet di dalam kabel koaksial dapat dibagi menjadi tiga wilayah, masing-masing karena itu akan memberikan kontribusi induktansi listrik dilihat oleh panjang kabel. [13]Induktansi L_ \ text {} cen \, terkait dengan medan magnet di wilayah dengan radius r