표피·근접 효과

한 줄 정의

표피 효과와 근접 효과는 교류에서 도체의 유효 단면적을 줄이는 현상이다.

교류는 도체 가운데보다 겉면으로 더 많이 흐른다.

직류는 단면 전체를 쓰지만, 교류는 바깥 껍질만 주로 쓰인다.

이 두 현상은 허용전류를 좌우하므로 시험에서 자주 출제된다.

표피 효과의 원리

먼저 표피 효과의 원리를 본다. 교류가 흐르면 교번 자속이 생긴다.

패러데이 법칙에 따라 도체 내부에 와전류가 유도된다.

와전류는 중심부에서 전류를 상쇄하고, 표면부에서는 같은 방향으로 더해진다.

그 결과 전류는 표면으로 몰려 도체 일부만 쓰이고, 교류저항이 커진다.

침투깊이

침투깊이는 전류가 실제로 흐르는 표면 두께를 말하며, 기호는 δ다.

표면 전류밀도가 표면 값의 약 37%(1/e)로 떨어지는 깊이로 본다.

교육 자료에서는 이 구간에 전류의 약 63%가 흐른다고 설명한다.

식에서 δ는 도전율과 투자율이 클수록, 주파수가 높을수록 작아진다.

따라서 표피 효과는 굵은 도체와 고주파에서 두드러진다.

근접 효과

근접 효과는 가까이 있는 다른 도체의 자계가 원인이다.

인접한 두 도체의 전류가 반대 방향이면 가까운 쪽 면에, 같은 방향이면 먼 쪽 면에 몰린다.

전류가 흐르는 유효면적이 줄어 저항과 손실이 커진다.

근접 효과는 주파수가 높을수록, 도체 간격이 좁을수록 심해진다.

간격이 좁은 배치에서는 한 상의 전류가 한쪽으로 편중된다.

비교와 대책

두 효과를 표로 비교하면 원인과 대책이 분명해진다.

표피 효과는 도체 자신의 교번 자속이, 근접 효과는 인접 도체의 자계가 원인이다.

표피 효과 대책은 분할도체와 연선 구조로 유효 단면적 손실을 줄이는 것이다.

근접 효과 대책은 상배열과 간격 조정으로 인접 자계의 영향을 줄이는 것이다.

각 대책이 어떤 효과를 줄이는지 한 문장씩 연결해야 한다.

헷갈리는 점과 직접 풀기

헷갈리기 쉬운 점부터 정리한다.

표피 효과는 도체 자신의 교번자속이, 근접 효과는 인접 도체의 자계가 원인이다.

두 효과 모두 교류에서만 나타나므로 직류 설명에 넣으면 감점된다.

두 효과는 교류 저항을 키워 허용전류를 낮추므로 분할도체와 상배열로 대책을 세운다.

직접 풀어 보자.