전자장론 Skin Effect 표면효과 /Skin Depth

안녕하세요 오늘은 Skin Effect와 Skin Depth에 대해서 정리해보겠습니다.

 

우선, Skin effect란 주파수가 높아짐에 따라 도선의 바깥쪽으로 전류가 흐르려고 하는 성질을 말합니다.

주파수가 올라갈수록 교류전류는 금속의 내부가 아니라 표면에 집중되어 흐르고

저주파에서는 금속의 내부에 전하가 이동하면서 신호가 오가지만 고주파에서는 도체 표면을 따라서 전하가 오갑니다.

 

이 Skin Effect 표면효과 성질을 잘 이용하면 도전율이 좋은 금이나 은을

전체에 사용할 필요없이 외부에만 코팅해도 고주파의 전도율을 높일 수 있습니다

 

 

 

Skin Depth

위 식은 표면효과를 수치적으로 나타낸 수식입니다.

주파수와 금속성분의 관계에 따라 전류가 어느정도 깊이까지 침투하느냐를 나타낸 수식으로

이 식을 통해서 고주파 전도에 적절한 금속의 두께를 알아낼 수 있습니다. 

델타 s를 즉 손실율이라고 하고 이 델타s는 Q pactor의 역수입니다.

분모에 주파수와 상관관계를 보면 주파수가 높을수록 손실율 Skin depth는 작아집니다.

 

완전 도체에서는 도전율 σ = ∞ 이므로, 표피깊이는 δ = 1/∞ = 0이 됩니다.

즉 완전 도체는 외부 장의 변화에 그대로 따르게 되기 때문에 복원력도 없으며 고유진동수도 없고

어떠한 흡수도 없고 침투도 없고 단지 즉각적인 재방출만 있게 됩니다.

 

효과로는 전류가 흐르는 도체의 단면적을 줄이기 때문에 저항을 증가시키고

표피효과 전송 케이블의 손실에 영향을 미치며 사용가능한 주파수 대역을 제한하고

주파수가 점점 높아질수록 도체에서 발생하는 손실이 커지며 전자기파 방사 현상이 발생하게 됩니다

 

 

주파수 함수 감쇠 요인

- 불완전한 차폐로 인한 케이블 방사

- 케이블 도체의 저항 손실

- 유전체의 신호 흡수

- 케이블과 종단 사이의 불일치 또는 불균일 임피던스로 인한 케이블을 따라 발생하는 신호반사

 

도체의 유효단면이 주파수가 증가함에 따라 감소되고 고주파에서는 더 큰 감쇄가 일어납니다

 

발생하는 이유?

고주파 전류에게는 도체의 중심의 임피던스가 높고 도체의 표피쪽은 임피던스가 낮기 때문에

도체 표면의 전류 밀도가 높아지게 됩니다.

표피효과가 전선에 생기는 이유는 전선 단면적 내의 중심일수록

자속쇄교수가 커져서 인덕턴스가 증가되기 때문에 중심부에는 전류가 잘 흐르지 못하고

표면으로 몰려서 흐르게 되기 때문입니다.

 

표피효과의 저항 비는 

전선의 단면적이 커질수록 그리고 주파수가 증가될수록 증가하게 됩니다.

 

표피효과를 이용한 기술/적용 분야로는

중공 케이블(전선 가운데가 비어있는 전선), OF Cable(전선 가운데에 오일관이 들어가 있고 열을 식혀주기 위한 것), 송정선로의 케이블이 단도체가 아닌 복도체 또는 다도체를 사용하는 방식이 있습니다.

 

 

 

 

구리같은것을 반도체 만들 때 얇게 만든 이유가 이러한 Skin effect, skin depth 때문이며

잠수함이 Na, Cl가 같은 양도체의 바닷물에서는 음성통신이 안되고 간단한 신호만 주고받으며 공명하지만 표면으로 올라와서 위성통신하는것도 바로 이 Skin Effect 때문입니다.

동축케이블 도파관 방막등도 이 Skin Effect와 관련이 있습니다.

방막의 막이 커지면 시간이 많이 들고 돈이 많이 들고 얇게 만들어도 되니까 반도체로 사용하는거죠!

전송선로 또한 얇게 만드는 것이 좋은 것도 전파는 표면에만 흐르기 때문에 바로 Skin Effect Skin Depth 원리를 사용합니다.

 

 

 

 

 

제가 공부하고 있는 공대 대학원생 브이로그도 보러오세요 :)