Yakınlık Etkisi ve Deri Etkisi ( Proximity and Skin Effect)

Proximity Yakınlık Etkisi Comsol Gösterimi

YAKINLIK ETKİSİ

Alternatif akımla beslenen iletken telden geçen akım, iletken etrafında zamanla değişen manyetik alan yani manyetik akı yoğunluğu (birimi, weber/m2 =Tesla) oluşturur. Bu iletkene yakın mesafede alternatif akım geçen ikinci bir iletken olabilir.  Bu ikinci iletken etrafında da üzerinden geçen alternatif akım nedeniyle manyetik akı yoğunluğu (B) oluşacaktır. Birinci ve ikinci iletkendeki manyetik akı yoğunlukları yani manyetik alanlar birbirini etkileyecektir. 

Birinci iletkendeki manyetik akı yoğunluğu ya da manyetik akı (Q-weber, Q=B.A) zamanla değişen nitelikte olduğundan ikinci iletkende bir emf indükler (Faraday Yasası). Aynı şekilde ikinci iletken de birinci iletkende bir emf yani gerilim indükler. 

İletkenin kendi geometrik yapısı kapalı çevrim (closed loop) bir yüzeydir, iletken boyunca kesit alındığında da kapalı çevrimi temsil eden bir düzlem oluşur. Bu nedenle kapalı çevrim için iletkenlerin  bobin sarımı halinde olması gerekmez. 

Birinci iletkenin etrafındaki manyetik akının ya da manyetik akı yoğunluğunun (B) zamanla değişimi ikinci iletkende yani kapalı çevrim yüzeyde emf indükler ifadesinden devam edilirse, manyetik akı yoğunluğunun zamanla değişimi Faraday Yasası'na göre aynı zamanda elektrik alanın rotasyonel formda indüklenmesine yol açar. İndüklenen rotasyonel yani dönen bir elektrik alan Faraday'a göre indüklenen emf'ye eşittir. Bu dönen elektrik alan iletken teldeki elektronlara kuvvet uygular ve elektronları hareket ettirir ve iletkende bir başka closed loop yani kapalı çevrim elektron akışı yani akım oluşturur. Bu akım eddy akımıdır. 

Elektrik alanın elektronları hareket ettirmesi ile eddy akımı ikinci iletkenin mevcut ana akımını iletkenin bazı yerlerinde miktar olarak artırırken bazı yerlerinde azaltır. İletkende normal ana akım akarken etrafında kapalı çevrimler halinde eddy akımları akar. Bu nedenle iletkendeki akım yoğunluğunda düzensizlik ve bozulma oluşur. Bu durum iletkendeki ana akımın iletkenin istenilen kesit sınırlarında akmasını engeller ve proximity yakınlık etkisi oluşur.

Yakınlık etkisi iletkenin AC direncini artırır. AC direnç hesabında DC direnç, deri etkisi katsayısı ve yakınlık etkisi katsayısı ile çarpılır.

Eddy akımı hesabında AC devreye özgü w=2.pi.f ifadesi üstel olarak geldiğinden frekansla birlikte eddy akımı artar ve direnç artması nedeniyle iletkenden etkin yararlanma azalır.

Özetle yakınlık etkisi birbirine yakın iletkenlerin AC beslenmeleri nedeniyle manyetik alanlarının birbirini etkileyerek eddy akımına sebep olması ve iletim hatlarında olduğu gibi normal işletme frekansında ya da yüksek frekansta (anahtarlama, yıldırım düşmesi gibi transient durumlarda) iletkenlerin direncini, iletkenin etkin alanının kullanımının azalmasıdır. Direnç artışı ısınma ve hasarlara yol açabilir.

 

DERİ ETKİSİ

Skin effect, yakınlık (proximity) etkisine benzer şekilde alternatif akımın oluşturduğu zamanla değişen manyetik akı yoğunluğu B (Tesla)'nin iletkende oluşturduğu eddy akımından kaynaklı olarak ana akımı bozması ve akımın iletkenin dış yüzeyinden ya da dış katmanından akmaya meyilli olması ve yüksek AC direnç ve yüksek frekanslarda kayıp oluşturmasıdır. Deri etkisi olarak çevrilse de dış katman etkisi de denebilir. Burada yakınlık etkisinde olduğu gibi yanındaki ikinci bir iletken değil iletkenin kendisinden kaynaklı bir durum söz konusudur. 

Deri Etkisi Comsol Gösterimi

İletkenden AC akım geçtiğinden manyetik akı yoğunluğu iç yüzeyde daha fazla ve dış yüzeyde daha azdır. Zamanla değişen manyetik akı yoğunluğu yakınlık etkisinde olduğu gibi rotasyonel elektrik alan nedeniyle iletken içinde dolaşan rotasyonel eddy akımı oluşturur. Eddy akımı iletkenin iç tarafında ana akımı azaltırken dış yüzeylerinde ana akımda artış meydana getirerek bozulmalara yol açar ve ana akımın yüzeyden akmasına zorlar. 

İletkenin sadece damar yani öz yapısında manyetik akı bağı daha yüksek olduğundan iletkenin self-indüktansı daha yüksektir. Bu nedenle iletken özü, akım değişimine iletken yüzeyine göre daha fazla direnç gösterdiğinden faz kayması oluşur ve iletken özündeki akım yüzey akımına göre geri fazdadır. Geri fazlı bu akım özdeki ana akımın bir kısmını elimine eder. Akım yoğunluğu yüzeyde daha fazla olur ve dış katman derinliğine (skin depth) bağlı olarak ana akım üssel olarak azalır. Bir başka ifade ile yüksek enerji kaybı göreceği yüksek empedanslı yer yerine akım kendine az direnç gösteren dış katmandan akmaya meyillidir. 

Dış katman derinliği (skin depth) ne kadar azsa dış katman etkisi o kadar fazladır ve ana akım yoğunluğu dış yüzeye yönelir. Diğer bir ifade ile skin depth ne kadar fazla ise akım kablonun ya da telin kesiti içinden akar, skin depth az ise akım yoğunluğu kablo kesitinin dışına yönlenir. Skin effect nedeni ile AC akımının büyük bir kısmı dış katman derinliği kadar olan yerden akar. Eddy akımı ile skin effect ilişkisi nedeni ile skin effect güç sistemlerinde ve yüksek frekans gerektiren uygulamalarda önemlidir.