ผลจากความใกล้ชิด

ขนาดของความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าในขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้​​าความถี่ 20 กิโลเฮิร์ทซ์

ในตัวนำที่มี กระแสสลับ ไหลในตัวมัน ถ้ามีกระแสอื่นกำลังไหลผ่านตัวนำอื่นที่อยู่ใกล้เคียง เช่นภายในขดลวดที่อยู้ใกล้ชิดกัน การกระจายของกระแสไฟฟ้าภายในตัวนำแรกจะถูกจำกัดอยู่ในภูมิภาคขนาดเล็ก หรือเรียกว่า กระแสแออัด (อังกฤษ: current crowding) ผลที่เกิดขึ้นจะเรียกว่าเป็น ผลจากความใกล้ชิด (อังกฤษ: proximity effect) การแออัดนี้จะทำให้มีการเพิ่มขึ้นของความต้านทานที่มีประสิทธิผล (อังกฤษ: effective resistance) ของวงจร ซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น

คำอธิบาย

การเปลี่ยนแปลงของ สนามแม่เหล็ก จะมีอิทธิพลต่อการกระจายของ กระแสไฟฟ้า ที่กำลังไหลภายใน ตัวนำไฟฟ้า โดย การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อ กระแสสลับ (AC) หนึ่งไหลผ่านตัวนำที่อยู่ลำพัง มันจะสร้างสนามแม่เหล็กสลับรอบ ๆ ตัวมัน สนามแม่เหล็กสลับนี้สามารถเหนี่ยวนำให้เกิด กระแสวน ในตัวนำไฟฟ้าที่อยู่ติดกันได้ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการกระจายโดยรวมของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำที่อยู่ติดกันนั้น ผลก็คือกระแสจะเข้มข้นในพื้นที่ของตัวนำที่อยู่ไกลออกไปที่สุดจากตัวนำใกล้เคียงที่กำลังนำกระแสไปในทิศทางเดียวกัน

ผลจากความใกล้ชิดสามารถเพิ่ม ความต้านทาน AC ของตัวนำที่อยู่ติดกันอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับความต้านทานของมันในกระแส DC ผลกระทบนี้จะเพิ่มขึ้นตาม ความถี่ ที่ความถี่สูงความต้านทาน AC ของตัวนำอาจเกินสิบเท่าของความต้านทาน DC ของมัน

ตัวอย่าง

ตัวอย่างเช่นถ้าสายไฟสองเส้นกำลังนำกระแสสลับขนาดเดียวกันแต่วางขนานกัน เหมือนอย่างที่จะพบได้ในขดลวดที่ใช้ใน ตัวเหนี่ยวนำ หรือ หม้อแปลง สนามแม่เหล็กของสายไฟเส้นหนึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสเอ็ดดี้ในแนวยาวขึ้นในสายไฟที่อยู่ติดกันอีกเส้นหนึ่ง กระแสเอ็ดดี้จะไหลเป็นวงกลมไปตามสายไฟนั้น ในทิศทางเดียวกับกระแสหลักที่ด้านข้างของลวดที่หันหน้าไปจากอีกสายหนึ่ง และกลับมาอยู่ในทิศทางที่ตรงข้ามในด้านของสายไฟที่หันหน้าเข้าหาอีกสายหนึ่ง ดังนั้นกระแสเอ็ดดี้จะเสริมกับกระแสหลักในด้านที่หันไปห่างจากสายแรก และต่อต้านกระแสหลักในด้านที่หันเข้าหาสายแรก ผลกระทบที่เป็นสุทธิจะแจกจ่ายกระแสในภาคตัดขวางของเส้นลวดเข้าไปในแถบบาง ๆ บนด้านที่หันไปจากอีกสายหนึ่ง เนื่องจากกระแสจะมีความเข้มข้นอยู่ในพื้นที่ที่มีขนาดเล็กของสาย ความต้านทานจึงเพิ่มขึ้น

ในทำนองเดียวกันในสองตัวนำที่อยู่ติดกันและกำลังนำกระแสสลับไหลในทิศทางตรงข้ามเช่นที่พบใน สายไฟแรงสูง และคู่ของ บัสบาร์ กระแสในแต่ละตัวนำจะมีความเข้มข้นในแถบด้านข้างที่หันหน้าไปทางตัวนำอื่น ๆ

ผลกระทบ

ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นทำให้มีการสูญเสียพลังงานเพิ่มขึ้น ซึ่งในวงจรไฟฟ้ากำลัง มันสามารถสร้างความร้อนที่ไม่พึงประสงค์ได้ ผลจากความใกล้ชิดและ ผลกระทบที่ผิว สร้างความยิ่งยากอย่างมีนัยสำคัญในการออกแบบ หม้อแปลง และ ตัวเหนี่ยวนำ ที่มีประสิทธิภาพเพื่อใช้ในการดำเนินงานที่ความถี่สูง เช่นใน แหล่งจ่ายไฟแบบสลับโหมด (อังกฤษ: switched-mode power supplies) เป็นตัวอย่าง

ใน วงจรปรับ (อังกฤษ: tuned circuit) เพื่อหา ความถี่วิทยุ ที่ใช้ในอุปกรณ์วิทยุ, ความสูญเสียเนื่องจากผลจากความใกล้ชิดและผลกระทบที่ผิวในตัวเหนี่ยวนำจะลด ปัจจัย Q และขยาย แบนด์วิดธ์ เพื่อลดการสูญเสียดังกล่าวให้มีน้อยที่สุด ตัวเหนี่ยวนำคลื่นความถี่วิทยุจึงต้องมีการสร้างเป็นพิเศษ ขดลวดมักจะถูกจำกัดให้เป็นชั้นเดียวและมักมีวงรอบของต้วนำที่แยกห่างออกจากกัน ในขดลวดหลายชั้น ชั้นที่ต่อเนื่องกันจะถูกพันในรูปแบบ crisscross เพื่อหลีกเลี่ยงการมีสายลวดวางขนานกัน; การพันขดลวดแบบนี้บางครั้งเรียกว่าขดลวดแบบ "สานต​​ะกร้า" หรือแบบ "รังผึ้ง" เนื่องจากกระแสจะไหลบนพื้นผิวของตัวนำ ขดลวดความถี่สูงบางครั้งจะทำจากเงินชุบหรือทำจาก ลวด Litz

วิธี Dowell สำหรับการกำหนดของการสูญเสีย

วิธีมิติเดียวสำหรับหม้อแปลงนี้สมมติว่าสายลวดภาคตัดขวางเป็นสี่เหลี่ยม แต่สามารถนำมาใช้ประมาณว่าเป็นลวดกลมโดยปฏิบัติต่อมันเหมือนว่ามันเป็นสี่เหลี่ยมจตุรัสที่มีพื้นที่หน้าตัดเดียวกัน

ขดลวดจะถูกแบ่งออกเป็น 'ส่วน' (อังกฤษ: portion) แต่ละส่วนเป็นกลุ่มของชั้น (อังกฤษ: layer) ที่มีหนึ่งตำแหน่งของ แรงเคลื่อนแม่เหล็ก (อังกฤษ: Magnetomotive force (MMF)) เป็นศูนย์ สำหรับหม้อแปลงที่แยกขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิออกจากกัน แต่ละขดลวดจะเป็นหนึ่งส่วน สำหรับหม้อแปลงที่มีการแทรกสลับ (อังกฤษ: interleaved หรือ sectionalised) ขดลวดด้านในสุดและด้านนอกสุดแต่ละส่วนเป็นหนึ่งส่วน ในขณะที่ส่วนอื่น ๆ แต่ละส่วนจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนในจุดที่ m.m.f เป็นศูนย์

ความต้านทานรวมของหนึ่งส่วนจะได้จาก

$R_{AC}=R_{DC}{\bigg (}Re(M)+{\frac {(m^{2}-1)Re(D)}{3}}{\bigg )}$

อัตราส่วนของความต้านทาน AC ต่อ DC สำหรับส่วนของแถบขดลวดที่ความถี่แตกต่างกัน (δ เป็น ความลึกของผิว) จะเห็นได้ว่าการเพิ่มจำนวนของชั้นจะเพิ่มความต้านทานอย่างมากที่ความถี่สูง

R_DC เป็นความต้านทาน DC ของส่วน

Re(.) เป็นส่วนจริงของคำอธิบายในวงเล็บ

m เป็นจำนวนของชั้นในส่วน ตัวเลขนี้ควรเป็นจำนวนเต็ม

$M=\alpha h\coth(\alpha h)\,$

$D=2\alpha h\tanh(\alpha h/2)\,$

$\alpha ={\sqrt {\frac {j\omega \mu _{0}\eta }{\rho }}}$

$\omega$ ความถี่เชิงมุม ของกระแส

$\rho$ สภาพต้านทานของว้สดุตัวนำ

$\eta =N_{l}{\frac {a}{b}}$

N_l จำนวนรอบต่อชั้น

a ความกว้างของตัวนำสี่เหลี่ยมจตุรัส

b ความกว้างของหน้าต่างการพัน

h ความสูงของตัวนำสี่เหลี่ยมจตุรัส

เคเบิ้ล

ผลจากความใกล้ชิดนอกจากนี้ยังสามารถเกิดขึ้นภายในสายเคเบิ้ลไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ถ้าตัวนำเป็นคู่หนึ่งของสายลำโพง กระแสของพวกมันมีทิศทางที่ตรงข้าม และกระแสจะพอใจที่จะไหลไปตามด้านข้างของสายไฟที่หันหน้าเข้าหากัน ความต้านทาน AC ของสายไฟจะมีการเปลี่ยนแปลง (เล็กน้อย) ไปตามความถี่ของสัญญาณเสียง แม้ว่าสำหรับความถี่ใด ๆ แอมพลิจูดของกระแสจะยังคงเป็นสัดส่วนเชิงเส้นกับแรงดันไฟฟ้า บางคนเชื่อว่านี่อาจจะสร้างการบิดเบือนและลดคุณภาพของภาพสเตอริโอ แต่มันก็สามารถแสดงให้เห็นว่า สำหรับขนาดตัวนำ, ระยะห่าง, และความยาวที่เหมาะสม ผลกระทบนี้มีอิทธิพลขนาดเล็กกับคุณภาพของเสียง

อ่านเพิ่มเติม

• ผลกระทบที่ผิว