ผลกระทบที่ผิว

ผลกระทบที่ผิว (อังกฤษ: skin effect) เป็นแนวโน้มของ กระแสไฟฟ้าสลับ (AC) ที่จะกระจายอยู่ภายในตัวนำในแบบที่ว่า ความหนาแน่นของกระแส จะมีมากที่สุดใกล้กับผิวหน้าของตัวนำและลดลงตามระดับความลึกที่มากขึ้นในตัวนำ กระแสไฟฟ้าจะไหลที่ "ผิว" (อังกฤษ: skin) ของตัวนำเป็นหลัก ระหว่างพื้นผิวด้านนอกจนถึงระดับที่เรียกว่า ความลึกของผิว (อังกฤษ: skin depth) ผลกระทบที่ผิวทำให้เกิด ความต้านทาน ที่มีประสิทธิผล (อังกฤษ: effective resistance) ของตัวนำเพิ่มขึ้นใน ความถี่ ที่สูงขึ้นโดยที่ระดับความลึกของผิวมีขนาดเล็กลง ดังนั้นภาคตัดขวางที่ใช้งานจริงของตัวนำจึงลดลง ผลกระทบที่ผิวจะทำหน้าที่ต่อต้านกับ กระแสวน ที่เหนี่ยวนำขึ้นโดยการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสสลับ. ที่ความถี่ 60 เฮิร์ตซ์ในทองแดง ความลึกของผิวจะเป็นประมาณ 8.5 มม ที่ความถี่สูงขึ้น ความลึกของผิวจะมีขนาดเล็กลง ทำให้ความต้านทาน AC เพิ่มขึ้น ความต้านทาน AC ที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากผลกระทบที่ผิวนี้สามารถทุเลาลงได้โดยการใช้ ลวด Litz ที่ถูกทอขึ้นอย่างพิเศษ. เพราะว่าภายในของตัวนำขนาดใหญ่จะนำพากระแสเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ตัวนำแบบท่อจึงสามารถนำมาใช้ได้เพื่อประหยัดน้ำหนักและค่าใช้จ่าย ตัวนำทั้งหลาย ที่มักจะอยู่ในรูปแบบของสายไฟ อาจถูกใช้ในการส่งพลังงานหรือสัญญาณไฟฟ้าโดยการให้ กระแสสลับ ไหลผ่านตัวนำนั้น ตัวขนส่งประจุ (อังกฤษ: charge carrier) ที่ประกอบขึ้นเป็นกระแส ที่มักจะเป็น อิเล็กตรอน จะถูกขับเคลื่อนด้วยสนามไฟฟ้าที่เกิดจากจากแหล่งที่มาของพลังงานไฟฟ้า กระแสสลับในตัวนำจะก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กสลับในและรอบ ๆ ตัวนำ เมื่อความเข้มของกระแสในตัวนำมีการเปลี่ยนแปลง สนามแม่เหล็กก็มีการเปลี่ยนแปลงเช่นกัน การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเป็นผลในการสร้างสนามไฟฟ้าซึ่งตรงข้ามกับการเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้นของกระแส สนามไฟฟ้าฝ่ายตรงข้ามนี้เรียกว่า "แรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ"[note 1] (อังกฤษ: counter-electromotive force) (EMF กลับหลัง (อังกฤษ: back EMF)) แรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับจะมีมากที่สุดที่ศูนย์กลางของตัวนำและมันจะบังคับให้อิเล็กตรอนนำกระแสออกไปที่ผิวของตัวนำดังแสดงในแผนภาพด้านขวา กระแสสลับก็อาจจะถูก เหนี่ยวนำ ให้เกิดในตัวนำเนื่องจากสนามแม่เหล็กสลับตามกฎของ เหนี่ยวนำ เช่นกัน เพราะฉะนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่กระทบบนตัวนำโดยทั่วไปจะผลิตกระแสดังกล่าว นี้จะอธิบายถึงการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากโลหะ โดยไม่คำนึงถึงแรงผลักดัน ความหนาแน่นของกระแส จะพบมากที่สุดที่พื้นผิวของตัวนำ จะพบขนาดที่ลดลงในจุดที่ลึกลงไปในตัวนำ การลดลงของความหนาแน่นของกระแสนี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็น ผลกระทบที่ผิว และคำว่า ความลึกของผิว เป็นตัวชี้วัดของความลึกในจุดที่ความหนาแน่นของกระแสตกลงไปที่ 1/e ของค่าที่ใกล้ผิวหน้าของมัน มากกว่า 98% ของกระแสไฟฟ้าจะไหลภายในเลเยอร์ที่มีขนาดเป็น 4 เท่าของความลึกของผิวจากผิวหน้า พฤฒิกรรมนี้จะแตกต่างจากของ กระแสตรง ซึ่งมักจะถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอตลอดภาคตัดขวางของสายไฟ ผลกระทบที่ผิวได้รับการอธิบายเป็นครั้งแรกในข้อเขียนของ ฮอเรซ แลมบ์ ในปี 1883 สำหรับกรณีของตัวนำแบบทรงกลม และถูกนำไปใช้ทั่วไปสำหรับตัวนำทุกรูปร่างโดย Oliver Heaviside ในปี 1885 ผลกระทบที่ผิวมีผลกระทบในทางปฏิบัติในการวิเคราะห์และออกแบบวงจรความถี่ วิทยุ และ ไมโครเวฟ, สายส่ง (หรือท่อนำคลื่น) และสายอากาศ มันยังเป็นสิ่งสำคัญที่ความถี่ของสายเมน (50–60 Hz) ในการส่งพลังงานไฟฟ้าและการจัดจำหน่าย ในระบบ AC แม้ว่าคำว่า "ผลกระทบที่ผิว" ส่วนใหญ่มักจะเกี่ยวข้องกับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการส่งกระแสไฟฟ้าก็ตาม ความลึกของผิวยังอธิบายการสลายแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กอีกด้วย เช่นเดียวกับความหนาแน่นของกระแสเหนี่ยวนำ, ภายในวัสดุขนาดใหญ่เมื่อคลื่นแนวราบกระทบกับมันที่อุบัติการณ์ปกติ ความหนาแน่นของกระแส สลับ J ในตัวนำหนึ่งจะ ลดลงแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล จากค่าของมันที่ผิวหน้า JS ที่ระดับความลึก d จากผิวหน้า ดังต่อไปนี้: เมื่อ δ เป็น ความลึกของผิว ดังนั้นความลึกของผิวจะถูกกำหนดว่าเป็นความลึกใต้ผิวหน้าของตัวนำ ณ จุดที่ความหนาแน่นของกระแสได้ลดลงไป 1/e (ประมาณ 0.37) ของ JS สูตรทั่วไปสำหรับความลึกของผิวจะเป็น:  เมื่อ ที่ความถี่ต่ำกว่า 1/𝜌𝜖 มาก ปริมาณภายในรูทที่สองขนาดใหญ่จะมีค่าใกล้กับ 1 และสูตรมักจะเป็น: สูตรนี้มีผลบังคับใช้ไกลออกไปจากเรโซแนนซ์ของอะตอมหรือโมเลกุลที่แข็งแกร่ง (โดยที่ 𝜖 จะมีส่วนที่เป็นค่าจินตภาพขนาดใหญ่) และที่ความถี่ที่ต่ำว่ามากของทั้ง ความถี่พลาสม่า (ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระในวัสดุ) และของการแลกเปลี่ยนซึ่งกันและกันของเวลาเฉลี่ยของวัสดุระหว่างการชนที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนที่นำกระแส ในตัวนำไฟฟ้าที่ดีเช่นโลหะ ทุกเงื่อนไขเหล่านี้จะทำให้มั่นใจได้อย่างน้อยที่ความถี่สูงถึงระดับไมโครเวฟ ที่จะตัดสินความถูกต้องของสูตรนี้ ยกตัวอย่างเช่นในกรณีของทองแดง สูตรนี้จะเป็นจริงสำหรับความถี่ต่ำกว่า 1018 Hz มาก ๆ อย่างไรก็ตามในตัวนำที่แย่มาก ๆ ที่ความถี่ที่สูงพอ ปัจจัยภายใต้รูทที่สองขนาดใหญ่จะเพิ่มขึ้น ที่ความถี่สูงกว่า 1/𝜌𝜖 มาก มันก็สามารถที่จะแสดงให้เห็นว่าความลึกของผิวจะวิ่งไปที่ค่า asymptotic แทนที่จะลดลงอย่างต่อเนื่อง ดังนี้: การออกไปจากสูตรปกตินี้จะใช้สำหรับวัสดุที่มีสภาพนำไฟฟ้าค่อนข้างต่ำและที่ความถี่ที่ความยาวคลื่นในสูญญากาศไม่ได้มีขนาดใหญ่กว่าความลึกของผิวมันเองเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่นก้อนซิลิกอนเป็นกลุ่ม (ยังไม่ถูกโด๊ป) เป็นตัวนำที่แย่และมีความลึกของผิวประมาณ 40 เมตรที่ 100 kHz (แลมบ์ดา = 3000 m) อย่างไรก็ตามเมื่อความถี่เพิ่มขึ้นเข้าสู่ในช่วงเมกะเฮิรตซ์ ควาลึกของผิวของมันไม่เคยต่ำกว่าค่า asymptotic ที่ 11 เมตร สรุปก็คือว่าในตัวนำของแข็งที่ไม่ดีเช่นซิลิกอนที่ยังไม่ถูกโด๊ป ผลกระทบที่ผิวไม่จำเป็นที่จะต้องนำมาพิจารณาในสถานการณ์จริงส่วนใหญ่: กระแสใด ๆ มีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันทั่วภาคตัดขวางของวัสดุโดยไม่คำนึงถึงความถี่ของมัน ความต้านทานที่มีประสิทธิผลจริง (อังกฤษ: effective resistance) เนื่องจากกระแสที่ถูกคุมขังอยู่ใกล้กับผิวหน้าของตัวนำขนาดใหญ่ (หนามากกว่า δ) จะสามารถแก้ไขได้เหมือนกับว่ากระแสมีการไหลอย่างสม่ำเสมอผ่านชั้นของความหนา δ ที่ขึ้นอยู่กับสภาพต้านทาน DC (อังกฤษ: DC resistivity) ของวัสดุนั้น พื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิผลจะประมาณเท่ากับ δ คูณด้วยเส้นรอบวงของตัวนำ ดังนั้นตัวนำรูปทรงกระบอกยาวเช่นสายไฟที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง D มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับ δ มีความต้านทาน ประมาณ ว่าเท่ากับท่อกลวงที่มีความหนาของผนัง δ ที่มีกระแสตรงไหลผ่าน ความต้านทาน AC ของสายไฟที่มีความยาว L และสภาพต้านทาน 𝜌 ก็คือ: การประมาณสุดท้ายสมมติว่า 𝐷≫𝛿 สูตรที่สะดวก (ให้เกียรติกับนาย F.E. Terman) สำหรับเส้นผ่าศูนย์กลาง DW ของสายไฟที่มีภาคตัดขวางเป็นวงกลมที่ความต้านทานของมันจะเพิ่มขึ้น 10% ที่ความถี่ f คือ: ความต้านทาน AC ที่เพิ่มตามที่ได้อธิบายไว้ช้างบนมีค่าแม่นยำสำหรับสายไฟที่แยกอยู่ต่างหากเท่านั้น สำหรับสายไฟที่อยู่ใกล้กับสายไฟอื่น เช่นในสายเคเบิลหรือในขดลวด ความต้านทาน AC ก็ถูกกระทบโดย ผลจากความใกล้ชิด (อังกฤษ: proximity effect) อีกด้วย ซึ่งมักจะทำให้เกิดการเพิ่มอย่างรุนแรงมากในความต้านทาน AC ในตัวนำที่ดี, ความลึกของผิวเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของสภาพต้านทาน ซึ่งหมายความว่าตัวนำที่ดีกว่าจะมีความลึกของผิวลดลง ความต้านทานโดยรวมของตัวนำที่ดีกว่าก็ยังคงต่ำแม้ว่าจะมีความลึกของผิวลดลง อย่างไรก็ตามตัวนำที่ดีกว่าจะแสดงอัตราที่สูงขึ้นระหว่างค่าความต้านทาน AC ต่อค่าความต้านทาน DC ของมัน เมื่อเทียบกับตัวนำที่มีสภาพต้านทานที่สูงกว่า ยกตัวอย่างเช่นที่ 60 Hz, ตัวนำทองแดงขนาด 2000 MCM (1000 ตารางมิลลิเมตร) มีความต้านทานมากกว่าที่มันมีที่ DC ถึง 23% ตัวนำขนาดเดียวกันทีเป็นอะลูมิเนียมมีความต้านทานที่ AC 60 Hz มากกว่าที่มันจะมีที่ DC เพียง 10% เท่านั้น ความลึกของผิวยังแปรผันตามรากที่สองผกผันของการซึมผ่านแม่เหล็กของตัวนำ ในกรณีของเหล็กสภาพนำกระแสของมันอยู่ที่ประมาณ 1/7 ของทองแดง อย่างไรก็ตามเนื่องจากมันเป็นวัสดุที่มีอำนาจแม่เหล็ก (อังกฤษ: ferromagnetic) การซึมผ่านของมันจะมากกว่าประมาณ 10,000 เท่า ซึ่งจะลดความลึกของผิวสำหรับเหล็กลงเหลือประมาณ 1/38 ของทองแดง หรือประมาณ 220 ไมโครเมตรที่ 60 เฮิร์ตซ์ ดังนั้นลวดเหล็กจึงไร้ประโยชน์สำหรับสายไฟ A.C. (ยกเว้นเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลโดยทำหน้าที่เป็นแกนกลางให้กับตัวนำที่ไม่ใช่วัสดุที่มีอำนาจแม่เหล็ก เช่นอะลูมิเนียม) ผลกระทบที่ผิวยังลดความหนาที่มีประสิทธิผลของ laminations[note 2] ในหม้อแปลงไฟฟ้​​า เป็นการเพิ่มการสูญเสียของพวกมัน แท่งเ​​หล็กจะทำงานได้ดีสำหรับการเชื่อม กระแสตรง (DC) แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้พวกมันที่ความถี่สูงกว่า 60 เฮิร์ตซ์ ที่ไม่กี่กิโลเฮิรตซ์ แท่งเชื่อมจะเรืองแสงสีแดงร้อนเมื่อกระแสผ่านความต้านทาน A.C. ที่เพิ่มขึ้นอย่างมากที่เป็นผลมาจากผลกระทบที่ผิว ทำให้มีกำลังเหลือค่อนข้างน้อยสำหรับประกายไฟโค้งของมันเอง แท่งที่ไม่ใช่แม่เหล็กเท่านั้นที่สามารถนำมาใช้สำหรับการเชื่อมความถี่สูง ที่ 1 เมกะเฮิรตซ์ความลึกจากผลกระทบที่ผิวในดินเปียกอยู่ที่ประมาณ 5.03 เมตร ในน้ำทะเลอยู่ที่ประมาณ 0