سلك ليتز
سلك ليتز هو نوع خاص من الأسلاك أو الكابلات متعددة الشعيرات المستخدمة في الإلكترونيات لنقل التيار المتردد (AC) بترددات الراديو . صُمم هذا السلك لتقليل الفاقد الناتج عن تأثير السطح وتأثير التقارب عند ترددات تصل إلى حوالي1 ميجاهرتز . [ 1 ]
يتكون هذا النظام من العديد من الأسلاك الرفيعة المعزولة بشكل فردي، والملتوية أو المنسوجة معًا، وفقًا لأحد أنماط محددة بدقة [ 2 ]، والتي غالبًا ما تتضمن عدة مستويات من التجميع (حيث تُلف الأسلاك الملتوية مسبقًا معًا في حزم صغيرة، ثم تُلف هذه الحزم في حزم أكبر، وهكذا). تؤدي أنماط اللف هذه إلى معادلة نسبة الطول الإجمالي الذي يقع فيه كل سلك على السطح الخارجي للموصل. وهذا بدوره يؤدي إلى توزيع التيار بالتساوي بين أسلاك الموصل، مما يقلل من المعاوقة .
يستخدم سلك ليتز في المحاثات عالية الجودة لأجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية التي تعمل بترددات منخفضة، ومعدات التسخين بالحث ، ومصادر الطاقة التبديلية .
مصطلح سلك ليتز مشتق من Litzendraht ( بالألمانية: Litze )، وهو مصطلح ألماني يعني " السلك المضفر/المجدول " [ 3 ] أو " السلك المنسوج " . [ 4 ]
مبدأ التشغيل
يؤدي كل من تأثير الجلد وتأثير التقارب إلى زيادة مقاومة الموصلات للتيار المتردد (AC) مقارنةً بالتيار المستمر (DC). ونظرًا للطبيعة العكسية المزدوجة للمجال الكهرومغناطيسي ، فإن تأثير الجلد هو السائد عند الترددات الأقل من حوالي2 ميجاهرتز ؛ عند الترددات الأعلى، يصبح تأثير التقارب هو القوة المهيمنة، ويتسبب سلك ليتز في خسائر تيار مستمر أكثر من الأسلاك الصلبة أو الموصلات الأنبوبية.
تأثير الجلد
تعتمد مقاومة الموصل على مساحة مقطعه العرضي؛ فالموصل ذو المساحة الأكبر يتميز بمقاومة أقل لطول معين. مع ذلك، عند الترددات العالية، لا يخترق التيار المتردد الموصلات بعمق بسبب التيارات الدوامية المتولدة في المادة؛ إذ يميل إلى التدفق بالقرب من السطح. هذه هي ظاهرة التأثير السطحي . لذلك، في موصل صلب كالسلك، يميل التيار إلى التدفق بشكل أساسي في طبقة أو حلقة على السطح، ويتدفق تيار أقل عبر المادة بالقرب من مركز السلك. ولأن جزءًا أقل من مساحة المقطع العرضي للسلك يُستخدم، تكون مقاومته أكبر مما هي عليه في حالة التيار المستمر . كلما زاد تردد التيار، قلّ عمق اختراقه، ويتكدس التيار في مساحة مقطع عرضي أصغر فأصغر على طول السطح، وبالتالي تزداد مقاومة السلك للتيار المتردد مع زيادة التردد.
يُحدد عمق اختراق التيار المتردد في الموصل بواسطة مُعامل يُسمى عمق الاختراق ، وهو العمق الذي ينخفض عنده التيار إلى 1/ e ≈ 37% من قيمته السطحية. يتناقص عمق الاختراق مع التردد. عند الترددات المنخفضة، حيث يكون عمق الاختراق أكبر من قطر السلك، يكون تأثير الاختراق ضئيلاً، ويكون توزيع التيار والمقاومة متطابقين تقريبًا مع التيار المستمر. مع ارتفاع التردد وانخفاض عمق الاختراق عن قطر السلك، يصبح تأثير الاختراق ملحوظًا، ويتركز التيار بشكل متزايد بالقرب من السطح، وتزداد المقاومة لكل وحدة طول من السلك فوق قيمتها في التيار المستمر. فيما يلي بعض الأمثلة على عمق الاختراق في سلك نحاسي عند ترددات مختلفة:
- فيعند تردد 60 هرتز ، يبلغ عمق اختراق سلك نحاسي حوالي 7.6 ملم (0.30 بوصة) .
- عند 60000 هرتز (60 كيلو هرتز) ، يبلغ عمق الجلد لسلك النحاس حوالي 0.25 مم (0.0098 بوصة) .
- عند 6,000,000 هرتز (6 ميجاهرتز) ، [ 5 ] يبلغ عمق الجلد لسلك النحاس حوالي 25 ميكرومتر (0.00098 بوصة) .
الموصلات الدائرية مثل الأسلاك التي يزيد سمكها عن بضعة أعماق سطحية لا توصل الكثير من التيار بالقرب من محاورها، لذلك لا يتم استخدام المعدن الموجود في الجزء المركزي من السلك بشكل فعال.
تأثير القرب
في التطبيقات التي تتجاور فيها أسلاك متعددة تحمل نفس التيار، كما هو الحال في ملفات المحاثات والمحولات ، يتسبب تأثير التقارب في زيادة ازدحام التيار ، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة السلك مع التردد. في سلكين متوازيين متجاورين، يُحفز المجال المغناطيسي للسلك المجاور تيارات دوامية طولية فيه، مما يؤدي إلى تركيز التيار في شريط ضيق على جانب السلك. في الموصلات المتجاورة التي تحمل تيارًا مترددًا في نفس الاتجاه، يتركز التيار في الموصل على الجانب البعيد عن الموصل المجاور. أما في الموصلات التي تحمل تيارًا مترددًا في اتجاهين متعاكسين، فيتركز التيار في الموصل على الجانب المجاور للموصل المجاور. وهذا له تأثير مشابه لتأثير الجلد؛ حيث يتكدس التيار في مساحة مقطع عرضي أصغر من السلك، مما يزيد المقاومة.
كيف يعمل سلك ليتز
إحدى تقنيات تقليل المقاومة هي وضع كمية أكبر من المادة الموصلة بالقرب من السطح الذي يمر به التيار، وذلك باستبدال السلك بأنبوب مجوف له نفس مساحة المقطع العرضي. فمساحة السطح الأكبر للأنبوب تُوصل التيار بمقاومة أقل بكثير من سلك صلب له نفس مساحة المقطع العرضي. غالبًا ما تُصنع ملفات الرنين في أجهزة الإرسال اللاسلكية عالية الطاقة من أنابيب نحاسية مطلية بالفضة من الخارج لتقليل المقاومة. إلا أن الأنابيب غير مرنة وتتطلب أدوات خاصة لثنيها وتشكيلها.
يُعدّ سلك ليتز طريقة أخرى، حيث يُستخدم فيه سلك مجدول بموصلات معزولة بشكل فردي، لتشكيل حزمة . كل موصل رفيع أقل من عمق الاختراق، لذا لا يعاني أي خيط منفرد من فقدان ملحوظ في التوصيل الكهربائي. يجب عزل الخيوط عن بعضها البعض ، وإلا ستحدث دائرة قصر بين جميع الأسلاك في الحزمة، وتتصرف كسلك واحد كبير، مع استمرار مشاكل التوصيل الكهربائي. علاوة على ذلك، لا يمكن للخيوط أن تشغل نفس الموضع القطري في الحزمة على مسافات طويلة، لأن التأثيرات الكهرومغناطيسية التي تُسبب التوصيل الكهربائي ستظل تُعيق التوصيل. يُصمّم نمط نسج أو لف الأسلاك في الحزمة بحيث تكون الخيوط الفردية على السطح الخارجي للحزمة لمسافة تكون فيها تغيرات المجال الكهرومغناطيسي أصغر، ويواجه الخيط مقاومة منخفضة، وعلى السطح الداخلي للحزمة لمسافة تكون فيها تغيرات المجال الكهرومغناطيسي أقوى، وتكون المقاومة أعلى. إذا كانت جميع الخيوط ذات مقاومة كهربائية متقاربة ، فإن التيار يتوزع بالتساوي على كل خيط في الكابل. وهذا يسمح للجزء الداخلي من سلك ليتز بالمساهمة في الموصلية الكلية للحزمة.
يمكن تفسير فائدة جدل ليتز بطريقة أخرى كما يلي: تتولد المجالات المغناطيسية الناتجة عن التيار المتدفق في الخيوط في اتجاهات تقلل من ميلها لتوليد مجال كهرومغناطيسي معاكس في الخيوط الأخرى. وبالتالي، بالنسبة للسلك ككل، يقل تأثير السطح وما يرتبط به من فقد في الطاقة عند استخدامه في تطبيقات الترددات العالية. كما تزداد نسبة الحث الموزع إلى المقاومة الموزعة، مقارنةً بموصل صلب، مما ينتج عنه عامل جودة أعلى عند هذه الترددات.
فعالية
سلك ليتز فعال للغاية في الأسفل500 كيلوهرتز ؛ نادرًا ما يُستخدم فوق هذا التردد2 ميجاهرتز لأنه أقل فعالية هناك. [ 6 ]
عند الترددات الأعلى من حواليعند تردد 1 ميجاهرتز ، تتلاشى الفوائد تدريجيًا بفعل تأثير السعة الطفيلية بين الأسلاك. [ 7 ] عند ترددات الميكروويف، يكون عمق الاختراق أصغر بكثير من قطر الأسلاك، ويؤدي التيار المتدفق عبر الأسلاك الداخلية إلى توليد تيارات دوامية قوية في الأسلاك الخارجية، مما يُلغي فوائد سلك ليتز لدرجة يصبح أداؤه أسوأ بكثير من السلك الصلب ذي القطر نفسه. [ 8 ]
يتميز سلك ليتز بمقاومة أعلى لكل وحدة مساحة مقطع عرضي، ولكنه يُستخدم مع كابلات ذات سماكة أكبر، مما يُقلل أو يُحافظ على مقاومة الكابل عند الترددات العالية. [ 9 ] يتكون سلك ليتز عادةً من أسلاك دقيقة للغاية، غالبًا ما تكون مطلية بالفضة أو مصنوعة من الفضة الخالصة. تُغطى الخيوط الفردية عادةً بطبقة من الورنيش منخفض الحرارة ، والتي تتطلب عادةً لحام الفضة - درجات حرارة الحديد للانصهار - وتُزال هذه الطبقة عند إجراء التوصيلات. كما يمكن أن تُغطى حزم الأسلاك بعازل خارجي من الحرير .
التطبيقات
يُستخدم سلك ليتز في صناعة المحاثات والمحولات ، وخاصةً في التطبيقات عالية التردد حيث يكون تأثير السطح أكثر وضوحًا، وقد يُشكل تأثير التقارب مشكلةً أشدّ. سلك ليتز هو نوع من الأسلاك المجدولة ، ولكن في هذه الحالة، لا يكمن سبب استخدامه في تجنب انقطاع السلك بالكامل نتيجةً لإجهاد المادة .
يُستخدم سلك ليتز بكثرة في تطبيقات الطاقة بترددات تتراوح بين عشرات ومئات الكيلوهرتز، وتحديداً في مواقد الحث وأجهزة إرسال الشواحن الحثية (مثل معيار Qi ). كما توجد خيوط متعددة متوازية ملتوية من الأسلاك المطلية بالمينا في محولات بعض مصادر الطاقة التبديلية.
محطة بث WWVB
يستخدم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) أسلاك ليتز في محطة البث التلفزيوني WWVB التي تبث عبر نظام الترميز الزمني . وتبث المحطة على60 كيلوهرتز . يُستخدم سلك ليتز في الحلزون ومقياس التغير في كلا بيتي الحلزون. ويتكون من 9 × 5 × 5 × 27 (بإجمالي 6075) خيطًا من سلك مغناطيسي رقم 36 AWG ( قطر 0.127 مم [0.0050 بوصة] ) وطبقات متعددة من العزل القطني والقنب والبلاستيكي، في كابل قطره 19 مم ( 3/4 بوصة ) ، بإجمالي 151875 ميل دائري ( 0.7695619839 سم 2 ) من النحاس. [ 10 ]
انظر أيضاً
- سلك زينة - سلك كهربائي مقاوم للإجهاد ومنخفض التيار
مراجع
- ↑ تيرمان (1943) ، ص 37.
- ↑ أنواع أسلاك ليتز وبنيتها ، شركة نيو إنجلاند لتكنولوجيا الأسلاك، 2019
- ↑ انظر الترجمة الإنجليزية لكلمة Litzendraht . انظر ترجمة كلمة Litze التي تعني " دانتيل، خيط، جديلة، جديلة على الزي العسكري " ، وترجمة كلمة Draht التي تعني " سلك، خيط، جديلة " . انظر أيضًا الترجمات الألمانية لكلمة " سلك " .
- ↑ "صناعات أسلاك MWS - أسلاك ليتز" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يوليو 2024 ." سلك ليتز - معلومات عامة، دائري، قابل للحام، ألوان وعوازل مخصصة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 أبريل 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مايو 2010 .، و http://www.litz-wire.com/applications.html مؤرشف في 2014-02-28 في Wayback Machine ترجمة Litzendraht إلى ' سلك منسوج ' .
- ↑ سلك ليتز غير عملي في6 ميجاهرتز ؛ انظر تيرمان (1943) ، ص 37 .
- ↑ يُقدّم تيرمان (1943) ، الصفحات 37، الجدول 18؛ 78، تعبيرًا لنسبة مقاومة التيار المتردد إلى مقاومة التيار المستمر لسلك ليتز معزول؛ ويستشهد تيرمان بـ باتروورث (1926) . ولا ينطبق هذا التعبير على الملفات متعددة اللفات. ويُقدّم سوليفان (1999) ، الصفحات 284، المعادلة 2؛ 289، الملحق أ، تعبيرًا لنسبة المقاومة في الملفات.
- ↑ كوكس، جيم. "قلوب من مسحوق الحديد للمحاثات عالية الجودة" (ملف PDF) (نسخة مؤرشفة). ميكروميتالز. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 22 فبراير 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 أكتوبر 2016 .
- ↑ ووجدا (2016) .
- ↑ عمق الجلد، سلك ليتز، موصلات مضفرة ومقاومة، W8JI.
- ↑ هانسن وجيش (1995) ، ص 36.
الأعمال المذكورة
- باتروورث، س. (أغسطس 1926)، "المقاومة الفعالة لملفات الحث عند ترددات الراديو"، هندسة الاتصالات اللاسلكية ، 3 : 483
- هانسن، بيدر م.؛ غيش، داريل (فبراير 1995)، "هوائي WWVB ونظام ضبط الهوائي: قياسات أساسية" (ملف PDF) ، مركز القيادة والسيطرة البحرية ومراقبة المحيطات (تقرير فني)، التقرير الفني 1693، مؤرشف من الأصل في 14 أبريل 2016
- سوليفان، تشارلز ر. (مارس 1999)، "الاختيار الأمثل لعدد الخيوط في لفائف محول سلك ليتز" (ملف PDF) ، معاملات IEEE في إلكترونيات الطاقة ، 14 (2): 283-291 ، Bibcode : 1999ITPE...14..283S ، doi : 10.1109/63.750181
- تيرمان، فريدريك إي. (1943)، دليل مهندسي الراديو ، ماكجرو هيل، الصفحات 37، 74، 80
- ووجدا، رافال ب. (سبتمبر 2016)، "مقاومة اللف وفقد الطاقة للمحاثات ذات الأسلاك الليتزية والأسلاك الدائرية الصلبة"، مؤتمر إلكترونيات الطاقة والتحكم في الحركة (PEMC)، IEEE الدولي 2016 ، IEEE، doi : 10.1109/EPEPEMC.2016.7752107
روابط خارجية
- مانفريد ألباش، جانينا باتز، هانز روسمانيث، ديتمار إكسنر، ألكسندر ستادلر: اللف الأمثل = الأمثل في كفاءة الطاقة، مقارنة الخسائر في أسلاك ليتز والأسلاك المستديرة، نُشر النص الأصلي في المجلة الألمانية Elektronik Power، أبريل 2010، الصفحات 38-77
- موقع إرسال VLF التابع للبحرية الأمريكية في كاتلر ، مين : 2 ميجاواط، 14-24 كيلوهرتز . يستخدم جهاز الإرسال البحري سلك ليتز بقطر أربع بوصات؛ صورة لمقياس الارتفاع.
- سلك