Efecto de la piel en las líneas de transmisión
Efecto de la piel definido
El efecto de la piel en las líneas de transmisión es el fenómeno en el que la corriente alterna se concentra cerca de la superficie del conductor, aumentando su resistencia efectiva.
El efecto de la piel se define como la tendencia de una corriente alterna a distribuirse de manera desigual a lo largo de la sección transversal de un conductor, de tal manera que la densidad de corriente es más alta cerca de la superficie del conductor y disminuye exponencialmente hacia el núcleo. Esto significa que la parte interna del conductor transporta menos corriente que la parte externa, resultando en un aumento de la resistencia efectiva del conductor.
El efecto de la piel reduce el área transversal disponible para el flujo de corriente, aumentando las pérdidas de potencia y el calentamiento del conductor. Altera la impedancia de la línea de transmisión, afectando la distribución de voltaje y corriente. Este efecto se intensifica con frecuencias más altas, diámetros de conductor mayores y conductividades más bajas.
El efecto de la piel no ocurre en sistemas de corriente directa (DC), ya que la corriente fluye de manera uniforme a lo largo de la sección transversal del conductor. Sin embargo, en sistemas de corriente alterna (AC), especialmente aquellos que operan a altas frecuencias como los sistemas de radio y microondas, el efecto de la piel puede tener impactos significativos en el diseño y análisis de las líneas de transmisión y otros componentes.
Causas del efecto de la piel
El efecto de la piel se debe a la interacción del campo magnético generado por la corriente alterna con el propio conductor. Como se muestra en la figura a continuación, cuando una corriente alterna fluye a través de un conductor cilíndrico, crea un campo magnético alrededor y dentro del conductor. La dirección y magnitud de este campo magnético cambian según la frecuencia y amplitud de la corriente alterna.
Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, un campo magnético cambiante induce un campo eléctrico en un conductor. Este campo eléctrico, a su vez, induce una corriente opuesta en el conductor, llamada corriente de Foucault. Las corrientes de Foucault circulan dentro del conductor y se oponen a la corriente alterna original.
Las corrientes de Foucault son más fuertes cerca del núcleo del conductor, donde tienen más enlace de flujo magnético con la corriente alterna original. Por lo tanto, crean un campo eléctrico opuesto más alto y reducen la densidad de corriente neta en el núcleo. Por otro lado, cerca de la superficie del conductor, donde hay menos enlace de flujo magnético con la corriente alterna original, hay corrientes de Foucault más débiles y un campo eléctrico opuesto menor. Por lo tanto, hay una densidad de corriente neta más alta en la superficie.
Este fenómeno resulta en una distribución desigual de la corriente a lo largo de la sección transversal del conductor, con más corriente fluyendo cerca de la superficie que cerca del núcleo. Esto se conoce como el efecto de la piel en las líneas de transmisión.
Cuantificación del efecto de la piel
El efecto de la piel se puede cuantificar utilizando la profundidad de penetración o δ (delta), que es la profundidad debajo de la superficie del conductor donde la densidad de corriente cae a aproximadamente el 37% de su valor en la superficie. Una profundidad de penetración más pequeña indica un efecto de la piel más severo.
La profundidad de penetración depende de varios factores, como:
La frecuencia de la corriente alterna: una frecuencia más alta significa cambios más rápidos en el campo magnético y corrientes de Foucault más fuertes. Por lo tanto, la profundidad de penetración disminuye a medida que la frecuencia aumenta.
La conductividad del conductor: una conductividad más alta significa menor resistencia y un flujo de corrientes de Foucault más fácil. Por lo tanto, la profundidad de penetración disminuye a medida que la conductividad aumenta.
La permeabilidad del conductor: una permeabilidad más alta significa más enlace de flujo magnético y corrientes de Foucault más fuertes. Por lo tanto, la profundidad de penetración disminuye a medida que la permeabilidad aumenta.
La forma del conductor: diferentes formas tienen factores geométricos diferentes que afectan la distribución del campo magnético y las corrientes de Foucault. Por lo tanto, la profundidad de penetración varía con diferentes formas de conductores.
La fórmula para calcular la profundidad de penetración para un conductor cilíndrico con una sección transversal circular es:
δ es la profundidad de penetración (en metros)
ω es la frecuencia angular de la corriente alterna (en radianes por segundo)
μ es la permeabilidad del conductor (en henrios por metro)
σ es la conductividad del conductor (en siemens por metro)
Por ejemplo, para un conductor de cobre con una sección transversal circular, operando a 10 MHz, la profundidad de penetración es:
Esto significa que solo una capa fina de 0.066 mm cerca de la superficie del conductor lleva la mayor parte de la corriente a esta frecuencia.
Reducción del efecto de la piel
Los efectos de la piel pueden causar varios problemas en las líneas de transmisión, como:
Aumento de las pérdidas de potencia y calentamiento del conductor, lo que reduce la eficiencia y confiabilidad del sistema.
Aumento de la impedancia y caída de tensión de la línea de transmisión, lo que afecta la calidad de la señal y la entrega de potencia.
Aumento de la interferencia electromagnética y radiación de la línea de transmisión, lo que puede afectar dispositivos y circuitos cercanos.
Por lo tanto, es deseable reducir el efecto de la piel en las líneas de transmisión tanto como sea posible. Algunos de los métodos que se pueden utilizar para reducir los efectos de la piel son:
Usar conductores con mayor conductividad y menor permeabilidad, como el cobre o la plata, en lugar del hierro o el acero.
Usar conductores con diámetros o áreas transversales menores reduce la diferencia entre las densidades de corriente en la superficie y en el núcleo.
Usar conductores estrangulados o trenzados en lugar de conductores sólidos aumenta el área superficial efectiva del conductor y reduce las corrientes de Foucault. Un tipo especial de conductor estrangulado llamado cable Litz está diseñado para minimizar el efecto de la piel al retorcer los hilos de manera que cada hilo ocupe diferentes posiciones en la sección transversal a lo largo de su longitud.
Usar conductores huecos o tubulares en lugar de conductores sólidos reduce el peso y el costo del conductor sin afectar significativamente su rendimiento. La parte hueca del conductor no lleva mucha corriente debido al efecto de la piel, por lo que se puede eliminar sin afectar el flujo de corriente.
Usar múltiples conductores paralelos en lugar de un solo conductor aumenta el área transversal efectiva del conductor y reduce su resistencia. Este método también se conoce como agrupamiento o transposición.
Reducir la frecuencia de la corriente alterna aumenta la profundidad de penetración y reduce el efecto de la piel. Sin embargo, esto puede no ser factible para algunas aplicaciones que requieren señales de alta frecuencia.
Conclusión
El efecto de la piel es un fenómeno que ocurre en las líneas de transmisión cuando una corriente alterna fluye a través de un conductor. Causa una distribución desigual de la corriente a lo largo de la sección transversal del conductor, con más corriente fluyendo cerca de la superficie que cerca del núcleo. Esto aumenta la resistencia y la impedancia efectivas del conductor y reduce su eficiencia y rendimiento.
El efecto de la piel depende de varios factores, como la frecuencia, la conductividad, la permeabilidad y la forma del conductor. Se puede cuantificar mediante un parámetro llamado profundidad de penetración, que es la profundidad debajo de la superficie donde la densidad de corriente cae al 37% de su valor en la superficie.
El efecto de la piel se puede reducir mediante diversos métodos, como usar conductores con mayor conductividad y menor permeabilidad, diámetro o área transversal menor, estructura estrangulada o trenzada, forma hueca o tubular, arreglos paralelos múltiples, o frecuencia más baja.
El efecto de la piel es un concepto importante en ingeniería eléctrica que afecta el diseño y análisis de las líneas de transmisión y otros componentes que utilizan corrientes alternas. Debe tenerse en cuenta al elegir el tipo y tamaño adecuados de los conductores para diferentes aplicaciones y frecuencias.
