표피효과와 근접효과

교류도체 실효저항

직류에서 도체의 저항은 도체의 재질, 길이, 단면적에 의해 일정하게 결정됩니다. 하지만 교류에서는 여기에 추가적인 요소들이 작용하여 저항이 달라지는데, 이를 실효저항이라고 합니다.

실효저항은 교류가 흐를 때 도체 내부에서 발생하는 표피효과와 근접효과에 의해 직류 저항보다 커지는 값을 의미합니다.

표피효과와 근접효과

• 표피효과 (Skin Effect): 교류가 도체를 통과할 때, 도체의 표면 부근에 전류가 집중되는 현상입니다. 주파수가 높아질수록 표피효과는 더욱 심해져 도체 내부의 전류 밀도가 감소하고, 결과적으로 도체의 실효저항이 증가하게 됩니다.
• 근접효과 (Proximity Effect): 여러 개의 도체가 서로 가까이 위치할 때, 각 도체에 흐르는 교류가 서로에게 영향을 미쳐 전류 분포가 불균일해지는 현상입니다. 이 역시 실효저항을 증가시키는 요인입니다.

실효저항이 커지는 이유

• 자기장 유도: 교류는 시간에 따라 방향과 세기가 변하는 자기장을 유도합니다. 이 자기장은 도체 내부에 맴돌이 전류를 발생시키고, 이 맴돌이 전류는 원래의 전류 흐름을 방해하여 추가적인 저항을 발생시킵니다.
• 에너지 손실: 표피효과와 근접효과로 인해 도체 내부에서 열이 발생하고, 이는 에너지 손실로 이어집니다. 이러한 에너지 손실은 마치 추가적인 저항이 있는 것과 같은 효과를 나타냅니다.

실효저항의 중요성

• 전력 손실: 실효저항이 커지면 전력 손실이 증가하여 시스템 효율이 저하됩니다.
• 발열: 실효저항으로 인한 열 발생은 도체의 수명을 단축시키고, 주변 기기의 온도를 상승시켜 오동작을 유발할 수 있습니다.
• 전자기 간섭: 실효저항 증가는 전자기 간섭을 유발하여 다른 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다.

실효저항을 줄이는 방법

• 도체 단면적 증가: 도체의 단면적을 넓히면 표피효과의 영향을 줄일 수 있습니다.
• 도체 분할: 하나의 굵은 도체 대신 여러 개의 가는 도체를 병렬로 연결하면 표피효과를 줄일 수 있습니다.
• 저주파 사용: 주파수를 낮추면 표피효과가 감소합니다.
• 도체 간 간격 유지: 근접효과를 줄이기 위해 도체 간 간격을 충분히 유지해야 합니다.
• 자성체 사용 자제: 자성체는 자기장을 증폭시켜 표피효과를 악화시키므로 사용을 자제해야 합니다.

교류 도체의 실효 저항이란?

직류 회로에서 도체의 저항은 도체의 재질, 길이, 단면적에 의해 일정하게 결정됩니다. 하지만 교류 회로에서는 주파수가 높아질수록 도체 내부의 전류 분포가 불균일해지는 현상이 발생하는데, 이를 표피 효과와 근접 효과라고 합니다. 이러한 효과들로 인해 교류 도체의 저항은 직류 저항보다 증가하게 되며, 이렇게 증가된 저항을 실효 저항이라고 합니다.

표피 효과 계수

• 정의: 교류 전류가 도체 내부를 흐를 때, 도체 표면에 전류가 집중되는 현상을 표피 효과라고 합니다. 이러한 현상으로 인해 도체 내부의 유효 단면적이 감소하고, 결과적으로 저항이 증가하게 됩니다. 표피 효과 계수는 이러한 저항 증가 비율을 나타내는 값입니다.
• 영향 요인:
  • 주파수: 주파수가 높아질수록 표피 효과가 심해져 표피 효과 계수가 커집니다.
  • 도체의 투자율: 투자율이 높은 도체일수록 표피 효과가 심해집니다.
  • 도체의 단면적: 단면적이 클수록 표피 효과가 심해집니다.
• 계산: 표피 효과 계수는 일반적으로 도체의 기하학적 형상, 재질, 주파수 등을 고려한 복잡한 수식을 통해 계산됩니다. 정확한 값을 얻기 위해서는 전자기학적인 해석이 필요합니다.

근접 효과 계수

• 정의: 여러 개의 도체가 서로 가까이 위치할 때, 각 도체에 흐르는 교류 전류에 의해 다른 도체에 유도 전류가 발생하고, 이 유도 전류가 원래의 전류 분포를 변화시키는 현상을 근접 효과라고 합니다. 이로 인해 도체의 저항이 추가적으로 증가하게 됩니다. 근접 효과 계수는 이러한 저항 증가 비율을 나타내는 값입니다.
• 영향 요인:
  • 도체 간의 간격: 도체 간의 간격이 좁을수록 근접 효과가 심해져 근접 효과 계수가 커집니다.
  • 도체의 배치: 도체의 배치 형태에 따라 근접 효과의 정도가 달라집니다.
• 계산: 근접 효과 계수 역시 표피 효과 계수와 마찬가지로 복잡한 수식을 통해 계산됩니다. 일반적으로는 유한요소법과 같은 수치 해석 기법을 이용하여 계산합니다.

실효 저항 계산

실효 저항은 직류 저항에 표피 효과 계수와 근접 효과 계수를 곱하여 계산합니다.

실효 저항 = 직류 저항 × 표피 효과 계수 × 근접 효과 계수

실효 저항 계산의 중요성

• 전력 손실 계산: 실효 저항이 증가하면 전력 손실이 증가하므로, 전력 시스템 설계 시 정확한 전력 손실을 예측하기 위해 실효 저항을 정확하게 계산해야 합니다.
• 온도 상승 계산: 전력 손실은 열에너지로 변환되어 도체의 온도를 상승시키므로, 도체의 온도 상승을 예측하고 적절한 냉각 방법을 선택하기 위해 실효 저항을 고려해야 합니다.
• 전압 강하 계산: 실효 저항이 증가하면 전압 강하가 커지므로, 부하에 공급되는 전압을 정확하게 예측하기 위해 실효 저항을 고려해야 합니다.

근접효과(ProximityEffect)

1)정의

• 도체가 평행배치될 때 양전류의 상호작용에 의해 2개의 선이 서로 가깝거나 먼 부분의 전류밀도가 증가하는데 이를 근접효과

2)현상

• 표피효과는 근접효과의 일종으로 1가닥의 도체인 경우에 나타나는 현상인데 비해, 근접효과는 2가닥 이상의 평형도체에서 볼 수 있는 현상
• 주파수가 높을수록, 도체가 근접배치될 수록 현저하게 나타난다.
• 양도체에 같은 방향의 전류가 흐를 경우 바깥쪽의 전류밀도가 높아지고, 그 반대인경우에는 가까운 쪽의 전류밀도가 높아진다

3)영향을 주는 요소

• 사용 주파수가 높아지면 높아질수록 증가한다
• 양 도체 간에 간격이 좁으면 좁을수록 증가한다
• 양 도체 간에 근접면적이 크면 클수록 급접효과가 더 심해짐

4)대책

• 양 도체 간의 단면적을 작게 할 것
• 사용 주파수를 낮출것
• 절연 전선을 사용할것
• 양 도체간의 간격을 넓힐것

표피효과(Skin Effect)

1)정의

• 도체에 교류 전류가 흐를 때, 교번자속에 의한 기계전력에 의해 전류가 도체 전체에 균등하게 분포되지 않고 도체 표면 근처에 집중되는 현상
• 도체의 중심부에는 전류가 거의 흐르지 않고 표면으로 갈수록 전류 밀도가 높아지는 현상
• 도체 단면적은 실효적으로 축소되는 결과를 초래

2)원인

• 전류가 일정한 상태에서 전선 단면적 내의 중심부일수록 전류가 만드는 전자속과 쇄교하므로 같은 단면적을 통과하는 자력선 쇄교수가 커져 인덕턴스가 증가하여 전류의 흐름을 방해
• 중심부일수록 위상각이 늦어져 전류가 도체 외부로 몰리게 된다

3)영향을 주는 요소

• 침투깊이
  (침투깊이가 작다는 것은 표피효과가 크다는 의미)

• 주파수(f), 전선단면적(A), 도전율(σ), 투자율(μ)이 클수록 증가하고 온도(t)에 반비례한다

4)표피효과의 영향

• 저항 증가: 전류가 도체 표면에만 흐르면서 실제 전류가 흐르는 단면적이 감소하게 됩니다. 이는 도체의 저항 증가로 이어져 전력 손실을 증가시키고, 발열을 유발할 수 있습니다. 특히 고주파 전류의 경우에는 표피 효과가 더욱 심해져 저항 증가가 더욱 커집니다.
• 신호 감쇠: 통신 케이블의 경우, 표피 효과는 신호의 감쇠를 유발할 수 있습니다. 특히 고주파 신호의 경우에는 표피 효과로 인해 신호가 도체 표면에만 집중되어 전송 거리가 짧아지고 신호 품질이 저하될 수 있습니다.
• 케이블 설계: 표피 효과는 케이블 설계에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 고주파 신호를 전송하는 케이블의 경우에는 표피 효과를 줄이기 위해 도체의 표면적을 넓히거나, 여러 개의 가는 도체를 꼬아서 사용하는 방법을 사용합니다.

5)개선대책

• 가공선-복도체, 지중선-분할도체를 사용한다
• 중공연선을 사용한다

표피효과(Skin Effect)

1)정의

• 도체에 교류 전류가 흐를 때, 교번자속에 의한 기계전력에 의해 전류가 도체 전체에 균등하게 분포되지 않고 도체 표면 근처에 집중되는 현상
• 도체의 중심부에는 전류가 거의 흐르지 않고 표면으로 갈수록 전류 밀도가 높아지는 현상
• 도체 단면적은 실효적으로 축소되는 결과를 초래

2)원인

• 전류가 일정한 상태에서 전선 단면적 내의 중심부일수록 전류가 만드는 전자속과 쇄교하므로 같은 단면적을 통과하는 자력선 쇄교수가 커져 인덕턴스가 증가하여 전류의 흐름을 방해
• 중심부일수록 위상각이 늦어져 전류가 도체 외부로 몰리게 된다

3)영향을 주는 요소

• 침투깊이
  (침투깊이가 작다는 것은 표피효과가 크다는 의미)

• 주파수(f), 전선단면적(A), 도전율(σ), 투자율(μ)이 클수록 증가하고 온도(t)에 반비례한다

4)표피효과의 영향

• 저항 증가: 전류가 도체 표면에만 흐르면서 실제 전류가 흐르는 단면적이 감소하게 됩니다. 이는 도체의 저항 증가로 이어져 전력 손실을 증가시키고, 발열을 유발할 수 있습니다. 특히 고주파 전류의 경우에는 표피 효과가 더욱 심해져 저항 증가가 더욱 커집니다.
• 신호 감쇠: 통신 케이블의 경우, 표피 효과는 신호의 감쇠를 유발할 수 있습니다. 특히 고주파 신호의 경우에는 표피 효과로 인해 신호가 도체 표면에만 집중되어 전송 거리가 짧아지고 신호 품질이 저하될 수 있습니다.
• 케이블 설계: 표피 효과는 케이블 설계에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 고주파 신호를 전송하는 케이블의 경우에는 표피 효과를 줄이기 위해 도체의 표면적을 넓히거나, 여러 개의 가는 도체를 꼬아서 사용하는 방법을 사용합니다.

5)개선대책

• 가공선-복도체, 지중선-분할도체를 사용한다
• 중공연선을 사용한다

근접효과(ProximityEffect)

1)정의

• 도체가 평행배치될 때 양전류의 상호작용에 의해 2개의 선이 서로 가깝거나 먼 부분의 전류밀도가 증가하는데 이를 근접효과

2)현상

• 표피효과는 근접효과의 일종으로 1가닥의 도체인 경우에 나타나는 현상인데 비해, 근접효과는 2가닥 이상의 평형도체에서 볼 수 있는 현상
• 주파수가 높을수록, 도체가 근접배치될 수록 현저하게 나타난다.
• 양도체에 같은 방향의 전류가 흐를 경우 바깥쪽의 전류밀도가 높아지고, 그 반대인경우에는 가까운 쪽의 전류밀도가 높아진다

3)영향을 주는 요소

• 사용 주파수가 높아지면 높아질수록 증가한다
• 양 도체 간에 간격이 좁으면 좁을수록 증가한다
• 양 도체 간에 근접면적이 크면 클수록 급접효과가 더 심해짐

4)대책

• 양 도체 간의 단면적을 작게 할 것
• 사용 주파수를 낮출것
• 절연 전선을 사용할것
• 양 도체간의 간격을 넓힐것