Effet de peau dans les lignes de transmission
Définition de l'effet de peau
L'effet de peau dans les lignes de transmission est le phénomène où le courant alternatif se concentre près de la surface du conducteur, augmentant ainsi sa résistance effective.
L'effet de peau est défini comme la tendance d'un courant alternatif à se répartir de manière inégale sur la section transversale d'un conducteur, de telle sorte que la densité de courant est la plus élevée près de la surface du conducteur et diminue exponentiellement vers le cœur. Cela signifie que la partie interne du conducteur transporte moins de courant que la partie externe, ce qui entraîne une augmentation de la résistance effective du conducteur.
L'effet de peau réduit la section transversale disponible pour le flux de courant, augmentant les pertes de puissance et le chauffage du conducteur. Il modifie l'impédance de la ligne de transmission, affectant la distribution de tension et de courant. Cet effet s'intensifie avec des fréquences plus élevées, des diamètres de conducteur plus grands et des conductivités plus faibles.
L'effet de peau ne se produit pas dans les systèmes en courant continu (CC), car le courant s'écoule uniformément sur toute la section transversale du conducteur. Cependant, dans les systèmes en courant alternatif (CA), notamment ceux fonctionnant à haute fréquence comme les systèmes radio et micro-ondes, l'effet de peau peut avoir des impacts significatifs sur la conception et l'analyse des lignes de transmission et d'autres composants.
Causes de l'effet de peau
L'effet de peau est causé par l'interaction du champ magnétique généré par le courant alternatif avec le conducteur lui-même. Comme le montre la figure ci-dessous, lorsque un courant alternatif circule dans un conducteur cylindrique, il crée un champ magnétique autour et à l'intérieur du conducteur. La direction et l'amplitude de ce champ magnétique changent selon la fréquence et l'amplitude du courant alternatif.
Selon la loi de Faraday d'induction électromagnétique, un champ magnétique changeant induit un champ électrique dans un conducteur. Ce champ électrique, à son tour, induit un courant opposé dans le conducteur, appelé courant de Foucault. Les courants de Foucault circulent à l'intérieur du conducteur et s'opposent au courant alternatif original.
Les courants de Foucault sont plus forts près du cœur du conducteur, où ils ont plus de liaison de flux magnétique avec le courant alternatif original. Par conséquent, ils créent un champ électrique opposé plus élevé et réduisent la densité de courant nette au cœur. D'autre part, près de la surface du conducteur, où il y a moins de liaison de flux magnétique avec le courant alternatif original, les courants de Foucault sont plus faibles et le champ électrique opposé est plus bas. Par conséquent, la densité de courant nette est plus élevée à la surface.
Ce phénomène entraîne une répartition inégale du courant sur la section transversale du conducteur, avec plus de courant circulant près de la surface que près du cœur. C'est ce qu'on appelle l'effet de peau dans les lignes de transmission.
Quantification de l'effet de peau
L'effet de peau peut être quantifié en utilisant la profondeur de peau ou δ (delta), qui est la profondeur sous la surface du conducteur où la densité de courant tombe à environ 37% de sa valeur à la surface. Une profondeur de peau plus petite indique un effet de peau plus sévère.
La profondeur de peau dépend de plusieurs facteurs, tels que :
La fréquence du courant alternatif : une fréquence plus élevée signifie des changements plus rapides du champ magnétique et des courants de Foucault plus forts. Par conséquent, la profondeur de peau diminue à mesure que la fréquence augmente.
La conductivité du conducteur : une conductivité plus élevée signifie une résistance plus faible et un flux plus facile des courants de Foucault. Par conséquent, la profondeur de peau diminue à mesure que la conductivité augmente.
La perméabilité du conducteur : une perméabilité plus élevée signifie plus de liaison de flux magnétique et des courants de Foucault plus forts. Par conséquent, la profondeur de peau diminue à mesure que la perméabilité augmente.
La forme du conducteur : différentes formes ont différents facteurs géométriques qui affectent la distribution du champ magnétique et des courants de Foucault. Par conséquent, la profondeur de peau varie avec différentes formes de conducteurs.
La formule pour calculer la profondeur de peau pour un conducteur cylindrique à section circulaire est :
δ est la profondeur de peau (en mètres)
ω est la pulsation du courant alternatif (en radians par seconde)
μ est la perméabilité du conducteur (en henrys par mètre)
σ est la conductivité du conducteur (en siemens par mètre)
Par exemple, pour un conducteur en cuivre à section circulaire, fonctionnant à 10 MHz, la profondeur de peau est :
Cela signifie qu'une fine couche de 0,066 mm près de la surface du conducteur transporte la majeure partie du courant à cette fréquence.
Réduction de l'effet de peau
L'effet de peau peut causer plusieurs problèmes dans les lignes de transmission, tels que :
Augmentation des pertes de puissance et du chauffage du conducteur, ce qui réduit l'efficacité et la fiabilité du système.
Augmentation de l'impédance et de la chute de tension de la ligne de transmission, ce qui affecte la qualité du signal et la livraison de puissance.
Augmentation des interférences électromagnétiques et des rayonnements de la ligne de transmission, ce qui peut affecter les dispositifs et les circuits voisins.
Il est donc souhaitable de réduire l'effet de peau dans les lignes de transmission autant que possible. Certaines des méthodes qui peuvent être utilisées pour réduire l'effet de peau sont :
Utiliser des conducteurs avec une conductivité plus élevée et une perméabilité plus faible, tels que le cuivre ou l'argent, au lieu du fer ou de l'acier.
Utiliser des conducteurs avec des diamètres ou des sections transversales plus petites réduit la différence entre les densités de courant à la surface et au cœur.
Utiliser des conducteurs toronnés ou tressés au lieu de conducteurs massifs augmente la surface effective du conducteur et réduit les courants de Foucault. Un type spécial de conducteur toronné appelé fil Litz est conçu pour minimiser l'effet de peau en torsadant les brins de manière à ce que chaque brin occupe différentes positions dans la section transversale sur sa longueur.
Utiliser des conducteurs creux ou tubulaires au lieu de conducteurs massifs réduit le poids et le coût du conducteur sans affecter significativement ses performances. La partie creuse du conducteur ne transporte pas beaucoup de courant en raison de l'effet de peau, elle peut donc être supprimée sans affecter le flux de courant.
Utiliser plusieurs conducteurs parallèles au lieu d'un seul conducteur augmente la section transversale effective du conducteur et réduit sa résistance. Cette méthode est également connue sous le nom de regroupement ou de transposition.
Réduire la fréquence du courant alternatif augmente la profondeur de peau et réduit l'effet de peau. Cependant, cela peut ne pas être faisable pour certaines applications nécessitant des signaux à haute fréquence.
Conclusion
L'effet de peau est un phénomène qui se produit dans les lignes de transmission lorsqu'un courant alternatif circule à travers un conducteur. Il provoque une répartition inégale du courant sur la section transversale du conducteur, avec plus de courant circulant près de la surface que près du cœur. Cela augmente la résistance et l'impédance effectives du conducteur et réduit son efficacité et ses performances.
L'effet de peau dépend de plusieurs facteurs, tels que la fréquence, la conductivité, la perméabilité et la forme du conducteur. Il peut être quantifié en utilisant un paramètre appelé profondeur de peau, qui est la profondeur sous la surface où la densité de courant tombe à 37% de sa valeur à la surface.
L'effet de peau peut être réduit en utilisant diverses méthodes, telles que l'utilisation de conducteurs avec une conductivité plus élevée et une perméabilité plus faible, un diamètre ou une section transversale plus petits, une structure toronnée ou tressée, une forme creuse ou tubulaire, des arrangements parallèles multiples, ou une fréquence plus basse.
L'effet de peau est un concept important en génie électrique qui affecte la conception et l'analyse des lignes de transmission et d'autres composants utilisant des courants alternatifs. Il doit être pris en compte lors du choix du type et de la taille appropriés des conducteurs pour différentes applications et fréquences.
