Chương 14: Đường dây tiêu tán và biểu đồ con mắt
14.1.1. Hiệu ứng bề mặt (Skin Effect)
Có lẽ bạn đã nghe tới một số thứ được gọi là hiệu ứng bề mặt. Thuật ngữ này diễn tả xu hướng của dòng điện chạy dọc mặt ngoài bề mặt của các đường mạch hoặc đường dây thay vì phân bố đều toàn bộ mặt cắt ngang đường dây.
Lý giải cho điều này là một điều rất phức tạp và tinh vi. Đó là do khi một dòng điện thay đổi nhanh trong một đường dây nó sẽ sinh ra một trường điện từ xung quanh đường dây, cái sinh ra một dòng điện theo hướng ngược đường dây.
Dòng điện ngược này là cái gây ra “tính ì” của điện cảm. Tại thời điểm đâu tiên, dòng điện ngược được sinh ra là tương tự như dòng điện thuận được sinh ra, và không có dòng điện lúc đó. Nhưng dòng điện thuận nhanh chóng thắng dòng điện nghịch và nó bắt đầu chạy. Sự cản trở cho việc tạo ra dòng điện đầu tiên là cái mà chúng ta gọi là điện cảm.
Bây giờ giả sử một đường dây được cắt ngang, như hình 14-1. Giả sử rằng một dòng điện chạy đều qua mặt cắt ngang đó và dòng điện đó đang tăng. Dòng điện đang tăng tạo ra một trường điện từ đang tăng cái sẽ tạo ra dòng ngược thêo chiều ngược lại. Vậy nơi nào mà dòng điện tập trung nhất?
Hình 14-1: Dòng điện tấn số cao sẽ di chuyển trên bề mặt vật dẫn nơi mà ảnh hưởng điện cảm là nhỏ hơn (độ đậm biểu diễn mật độ dòng điện)
Cường độ của trường điện từ tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Giả sử một điểm dọc đường trung tâm đường dây. Tất cả các điểm khác cái tạo nên mặt cắt ngang đường dây đều nằm trong một bán kính của đường trung tâm. Bây giờ giả sử thêm điểm khác nằm trên đường chu vi của đường dây. Hơn một nửa các điểm khác cái tạo ra mặt cắt ngang của đường dây là xa hơn một bán kính từ điểm này. Bởi vậy mà ảnh hưởng của trường điện từ phải là nhỏ hơn tại đường chu vi so với ở dọc đường trung tâm.
Điều này có nghĩa là nơi đầu tiên mà một dòng điện đang tăng đột ngột sẽ bắt đầu chạy là dọc theo chu vi (bề mặt) của đường dây, mà không phải là ở đường trung tâm. Ở tần số thấp hơn hiệu ứng này rất ngắn ngủi. Dòng điện sẽ nhanh chóng trải đều toàn bộ mặt cắt ngang đường dây. Nhưng chuyện gì sẽ xẩy ra khi mà tần số rất cao và dòng điện thay đổi hướng rất nhanh. Khi mà trường điện từ (tự cảm hoặc tính ì) đang bắt đầu để thắng thế, dòng điện dẫn thay đổi hướng. Bây giờ chúng ta bắt đầu lại và dòng điện bắt đầu chạy ở chu vi ngoài theo chiều ngược. Trước khi sự phân tán dòng điện đó có thể trải ra trên toàn bộ mặt cắt ngang của đường dây, thì dòng điện lại thay đổi lại. Với sự thay đổi chiều dòng điện liên tục như vậy thì sự phân bố dòng điện luôn luôn là mạch nhất ở chu vi ngoài của đường dây. Cuối cùng thì khi tần số là đủ lớn thì sự phân tán dòng điện không bao giờ trải đều tới trung tâm vật dẫn. Tần số dòng điện càng cao thì hiệu ứng càng lớn, và dòng điện chỉ chạy dọc theo một phần mỏng của chu vi, mà ta thường gọi là bề mặt đường dây. Nhiều ứng dụng khác nhau đã lợi dụng hiệu ứng này. Cáp truyền thông vượt đại dương là một ví dụ, thường thì chúng được làm bền cững nhưng không cần lõi thép dẫn điện phải có độ bền cao. Các cáp thép có một lớp đồng (nhiều khi là cả vàng) bọc quanh chu vi. Lớp đồng mỏng này là nơi mà dòng điện chạy. Toàn bộ vật dẫn không được tận dụng hết bởi vì các tín hiệu tần số cao chỉ chạy dọc bề mặt.
Hiển nhiên là hiệu ứng bề mặt làm tăng trở kháng gắn với đường dây và đường mạch, và hiệu ứng càng tăng theo tần số. Mức độ ảnh hưởng tỷ lệ thuận với bình phương tần số. Bởi vậy mà đây là nơi mà điên trở trở thành một hàm của tần số. Bởi vì chỉ một phần cắt ngang của đường dây hay đường mạch có dòng điện chạy qua, và vì vậy mà điện trở có quan hệ nghịch đảo với vùng cắt ngang, hiệu ứng cản trở tín hiệu tăng theo hiệu ứng bề mặt và bởi vậy mà còn theo cả tần số.