التأثير السطحي1
تحدث ظاهرة “التأثير السطحي” في نواقل التيار الكهربائي المتناوب والتي تؤدي إلى أن تصبح كثافة التيار الكهربائي العابر من الناقل في طبقات الناقل التي تكون أقرب للسطح الخارجي أكبر، وكلما اقتربنا بشكل شعاعي من مركز الناقل كلما أصبحت كثافة التيار العابر أقل، وفي النهاية وعند محور الناقل (مركز الناقل) تصبح الكثافة في أدنى مستوياتها.
تزداد شدة هذه الظاهرة مع ارتفاع مستويات تواتر التيار المتناوب العابر من النواقل والعكس بالعكس؛ حيث تنخفض بانخفاضه بحيث يصبح تأثير ظاهرة التأثير السطحي في التيار الكهربائي المستمر (تدفق التيار DC – تردد صفر) مساويا للصفر. كما أن كثافة التيار العابر عبر الناقل في جميع النقاط تسبح متساوية.
توضح الأشكال التالية مستويات كثافة التيار الكهربائي العابر من النواقل الحاملة للتيار الكهربائي المتناوب في التواترات المختلفة:
سبب حدوث ظاهرة التأثير السطحي
يعود سبب حدوث هذه الظاهرة إلى “قانون لنز2“. من البديهي أنه مع عبور التيار المتناوب الكهربائي عبر ناقل ما، تتشكل مجالات مغناطيسية متناوبة مع مرور الزمن وذلك على شكل خطوط متحدة المركز مع محوره داخل وخارج الناقل. وفقاً لقانون لنز فعندما يتغير مجال التيار الكهربائي مع زمن العبور عبر الناقل، تتشكل تيارات كهربائية جديدة تكون مغلقة في المستويات العمودية على الحقل المغناطيسي داخل النواقل في طرفي محور الناقل، حيث يواجه الحقل المغناطيسي الناشئ عن هذه التيارات تلك التغييرات الناشئة عن الحقل المغناطيسي الناتج عن التيار الأساسي داخل الناقل.
من البديهي أنه كلما كان تواتر التيار المتناوب المار أكبر كلما كانت شدة وقوع هذه الظاهر أكبر وأسرع.
تأثير القرب3
“تأثير القرب” هي ظاهرة تنشأ بشكل مشابه لظاهرة “التأثير السطحي” والتي توضح العلاقة ما بين النواقل المتجاورة للتيار الكهربائي وتركيز كثافة التيار الكهربائي داخلها.
يعبر “تأثير القرب” عن أنه إذا كان ناقلان مجاوران لبعضهما البعض يحملان التيار الكهربائي وكانا يخضعان لتأثير الحقول المغناطيسية الخارجية، وإذا كان التيار الكهربائي الذي يمر منهما له نفس الاتجاه فإن كثافة التيار الكهربائي في الاتجاهين المعاكسين تكون أكبر وعلى العكس من ذلك؛ فإذا لم تكن التيارات الكهربائية التي تمر عبرهما بنفس الاتجاه فإن كثافة التيار الكهربائي في وجوهها عير المتقابلة تكون أكثر كثافة.
بشكل مشابه للقوانين والمبادئ التي تحكم ظاهرة التأثير السطحي، ففي ظاهرة تأثير القرب، عند ازدياد تواتر التيار الكهربائي المار عبر النواقل فإن تأثير القرب يظهر بشكل أكبر.
العلاقات والمقادير المتعلقة بالتأثير السطحي وتأثير القرب
من أجل وضع علاقة لظاهرة التأثير السطحي وتأثير القرب فان هناك عدد من المقادير والعلاقات الرياضية التي تم وضعها والتي نقوم في هذا القسم بتعريف العديد منها.
في البداية فإن كثافة التيار الكهربائي تكون موزعة في جميع أنحاء مساحة مقطع الناقل، وكما قلنا سابقاً فإنه وبسبب التأثير السطحي فإن كثافة التيار المار عبر الناقل في المناطق الأقرب للسطح الخارجي تكون أكبر وتقل بالتدريج كلما اقترب من مركز الناقل، وتزداد شدة هذه الظاهرة مع ارتفاع تواتر التيار المار عبر هذا الناقل. وفقاً للعلاقات التجريبية التي تم الحصول عليها فإن توزيع كثافة التيار في سطح مقطع الناقل يكون على شكل توابع لتردد التيار المار منه. توضح العلاقة التالية نسبة كثافة التيار المار عبر مقطع الناقل وفقاً لبُعده عن السطح الخارجي:
في العلاقة السابقة J0، تُعبر عن كثافة التيار المار من نقاط سطح الناقل (الكثافة العظمى) وδ مقدار يعبر عن “عمق نفوذ تيار التأثير السطحي”، في الواقع ومع الابتعاد عن سطح الناقل بمقدار عمق نفوذ التيار الخارجي فإن كثافة التيار المار من الناقل تصل إلى 37% من مقدارها في النواقل. تُظهر العلاقات التالية بأنه على مسافة عمق نفوذ التيار الخارجي من سطح الناقل؛ يكون مقدار التيار المار من مقطع الناقل إلى تلك النقطة هو 63% من التيار الكلي.
1- Skin Effect
2- Lenz’s Law
3- Proximity Effect