Efecte de pell en les línies d'acció
Efecte de la pell definida
L'efecte de la pell en les línies d'enviament és el fenomen pel qual la corrent alterna es concentra prop de la superfície del conductor, augmentant la seva resistència efectiva.
L'efecte de la pell es defineix com la tendència d'una corrent alterna a distribuir-se de manera desigual a través de la secció transversal d'un conductor, de manera que la densitat de corrent és més elevada prop de la superfície del conductor i disminueix exponencialment cap al nucli. Això significa que la part interna del conductor porta menys corrent que la part externa, resultant en un increment de la resistència efectiva del conductor.
L'efecte de la pell disminueix l'àrea transversal disponible per al flux de corrent, augmentant les pèrdues d'energia i el calentament del conductor. Altera la impedància de la línia d'enviament, afectant la distribució de tensió i corrent. Aquest efecte s'intensifica amb freqüències més altes, diàmetres de conductor més grans i conductivitats més baixes.
L'efecte de la pell no ocorre en sistemes de corrent contínua (CC), ja que la corrent flueix uniformement a través de la secció transversal del conductor. No obstant això, en sistemes de corrent alterna, especialment aquells que operen a freqüències altes com els sistemes de ràdio i microones, l'efecte de la pell pot tenir impacts significatius en el disseny i l'anàlisi de les línies d'enviament i altres components.
Causa de l'efecte de la pell
L'efecte de la pell és causat per la interacció del camp magnètic generat per la corrent alterna amb el conductor mateix. Com es mostra a la figura següent, quan una corrent alterna flueix a través d'un conductor cilíndric, crea un camp magnètic al voltant i dins del conductor. La direcció i la magnitud d'aquest camp magnètic canvien segons la freqüència i l'amplitud de la corrent alterna.
Segons la llei de Faraday de l'inducció electromagnètica, un camp magnètic en canvi induint un camp elèctric en un conductor. Aquest camp elèctric, a la vegada, induint una corrent oposada al conductor, anomenada corrent de Foucault. Les corrents de Foucault circulen dins del conductor i s'oposen a la corrent alterna original.
Les corrents de Foucault són més fortes prop del nucli del conductor, on tenen més enllaç de flux magnètic amb la corrent alterna original. Per tant, creen un camp elèctric oposat més elevat i reduïxen la densitat de corrent neta al nucli. D'altra banda, prop de la superfície del conductor, on hi ha menys enllaç de flux magnètic amb la corrent alterna original, hi ha corrents de Foucault més febles i un camp elèctric oposat més baix. Per tant, hi ha una densitat de corrent neta més elevada a la superfície.
Aquest fenomen resulta en una distribució desigual de la corrent a través de la secció transversal del conductor, amb més corrent fluint prop de la superfície que prop del nucli. Això es coneix com l'efecte de la pell en les línies d'enviament.
Quantificació de l'efecte de la pell
L'efecte de la pell es pot quantificar utilitzant la profunditat de la pell o δ (delta), que és la profunditat sota la superfície del conductor on la densitat de corrent cau a uns 37% del seu valor a la superfície. Una profunditat de pell més petita indica un efecte de pell més sever.
La profunditat de la pell depèn de diversos factors, com:
La freqüència de la corrent alterna: Una freqüència més alta significa canvis més ràpids en el camp magnètic i corrents de Foucault més fortes. Per tant, la profunditat de la pell disminueix quan la freqüència augmenta.
La conductivitat del conductor: Una conductivitat més alta significa una resistència més baixa i un flux més fàcil de les corrents de Foucault. Per tant, la profunditat de la pell disminueix quan la conductivitat augmenta.
La permeabilitat del conductor: Una permeabilitat més alta significa més enllaç de flux magnètic i corrents de Foucault més fortes. Per tant, la profunditat de la pell disminueix quan la permeabilitat augmenta.
La forma del conductor: Diferents formes tenen factors geomètrics diferents que afecten la distribució del camp magnètic i les corrents de Foucault. Per tant, la profunditat de la pell varia amb diferents formes de conductors.
La fórmula per calcular la profunditat de la pell per a un conductor cilíndric amb una secció transversal circular és:
δ és la profunditat de la pell (en metres)
ω és la freqüència angular de la corrent alterna (en radians per segon)
μ és la permeabilitat del conductor (en henries per metre)
σ és la conductivitat del conductor (en siemens per metre)
Per exemple, per a un conductor de cobre amb una secció transversal circular, operant a 10 MHz, la profunditat de la pell és:
Això significa que només una capa fina de 0,066 mm prop de la superfície del conductor porta la major part de la corrent a aquesta freqüència.
Reducció de l'efecte de la pell
L'efecte de la pell pot causar diversos problemes en les línies d'enviament, com:
Pèrdues d'energia més elevades i calentament del conductor, que redueix l'eficiència i la fiabilitat del sistema.
Impedància més elevada i caiguda de tensió de la línia d'enviament, que afecta la qualitat del senyal i la transmissió d'energia.
Interferència electromagnètica i radiació més elevades de la línia d'enviament, que poden afectar dispositius i circuits propers.
Per tant, és desitjable reduir l'efecte de la pell en les línies d'enviament en la mesura possible. Alguns dels mètodes que es poden utilitzar per reduir l'efecte de la pell són:
Utilitzar conductors amb conductivitat més elevada i permeabilitat més baixa, com el cobre o l'argent, en lloc de ferro o acer.
Utilitzar conductors amb diàmetres o àrees transversals més petites, que reduïxen la diferència entre les densitats de corrent a la superfície i al nucli.
Utilitzar conductors estratificats o trenzats en lloc de conductors sòlids, augmentant l'àrea superficial efectiva del conductor i reduint les corrents de Foucault. Un tipus especial de conductor estratificat anomenat fil Litz està dissenyat per minimitzar l'efecte de la pell enrotllant les estratificacions d'una manera que cada estratificació ocupa posicions diferents a la secció transversal a lo llarg de la seva longitud.
Utilitzar conductors buits o tubulars en lloc de conductors sòlids, reduint el pes i el cost del conductor sense afectar significativament el seu rendiment. La part buida del conductor no porta gaire corrent degut a l'efecte de la pell, així que es pot eliminar sense afectar el flux de corrent.
Utilitzar múltiples conductors paral·lels en lloc d'un sol conductor, augmentant l'àrea transversal efectiva del conductor i reduint la seva resistència. Aquest mètode també es coneix com a bundling o transposició.
Reducir la freqüència de la corrent alterna augmenta la profunditat de la pell i redueix l'efecte de la pell. No obstant això, això pot no ser factible per a algunes aplicacions que requereixen senyals de freqüència alta.
Conclusió
L'efecte de la pell és un fenomen que ocorre en les línies d'enviament quan una corrent alterna flueix a través d'un conductor. Causa una distribució desigual de la corrent a través de la secció transversal del conductor, amb més corrent fluint prop de la superfície que prop del nucli. Això augmenta la resistència i la impedància efectives del conductor i redueix la seva eficiència i rendiment.
L'efecte de la pell depèn de diversos factors, com la freqüència, la conductivitat, la permeabilitat i la forma del conductor. Es pot quantificar utilitzant un paràmetre anomenat profunditat de la pell, que és la profunditat sota la superfície on la densitat de corrent cau a 37% del seu valor a la superfície.
L'efecte de la pell es pot reduir utilitzant diversos mètodes, com utilitzar conductors amb conductivitat més elevada i permeabilitat més baixa, diàmetre o àrea transversal més petita, estructura estratificada o trenzada, forma buida o tubular, disposició paral·lela múltiple, o freqüència més baixa.
L'efecte de la pell és un concepte important en l'enginyeria elèctrica que afecta el disseny i l'anàlisi de les línies d'enviament i altres components que utilitzen corrents alternes. S'hauria de tenir en compte quan es trien el tipus i la mida adequats dels conductors per a diferents aplicacions i freqüències.
