Efeito de pele nas liñas de transmisión

Efeito de pele definido

O efeito de pele nas liñas de transmisión é o fenómeno no que a corrente alternada se concentra preto da superficie do condutor, aumentando a súa resistencia efectiva.

O efeito de pele defínese como a tendencia dunha corrente alternada a distribuírse desuniformemente na sección transversal dun condutor, de tal xeito que a densidade de corrente é máis alta preto da superficie do condutor e diminúe exponencialmente cara ao núcleo. Isto significa que a parte interior do condutor transporta menos corrente que a parte exterior, resultando en un aumento da resistencia efectiva do condutor.

O efeito de pele diminúe a área transversal dispoñible para o fluxo de corrente, aumentando as perdas de potencia e o aquecemento do condutor. Altera a impedancia da liña de transmisión, afectando a distribución de voltaxe e corrente. Este efecto intensifícase con frecuencias máis altas, diámetros de condutor maiores e conductividades menores.

O efeito de pele non ocorre nos sistemas de corrente continua (CC), porque a corrente fluye uniformemente a través da sección transversal do condutor. No entanto, nos sistemas de corrente alternada (CA), especialmente aqueles que operan a frecuencias altas como os sistemas de radio e microondas, o efeito de pele pode ter impactos significativos no deseño e análise das liñas de transmisión e outros componentes.

Causas do efeito de pele

O efeito de pele é causado pola interacción do campo magnético xerado pola corrente alternada co propio condutor. Como se mostra na figura abaixo, cando unha corrente alternada fluye a través dun condutor cilíndrico, crea un campo magnético arredor e dentro do condutor. A dirección e magnitude deste campo magnético cambian segundo a frecuencia e a amplitud da corrente alternada.

Segundo a lei de Faraday de indución electromagnética, un campo magnético en cambio induce un campo eléctrico nun condutor. Este campo eléctrico, por sua vez, induce unha corrente oposta no condutor, chamada corrente de Foucault. As correntes de Foucault circulan dentro do condutor e se oponen á corrente alternada orixinal.

As correntes de Foucault son máis fortes preto do núcleo do condutor, onde teñen máis ligazóns de fluxo magnético coa corrente alternada orixinal. Polo tanto, crean un campo eléctrico oposto máis alto e reducen a densidade de corrente neta no núcleo. Por outro lado, preto da superficie do condutor, onde hai menos ligazóns de fluxo magnético coa corrente alternada orixinal, hai correntes de Foucault máis débiles e un campo eléctrico oposto menor. Polo tanto, hai unha densidade de corrente neta máis alta na superficie.

Este fenómeno resulta en unha distribución desuniforme de corrente na sección transversal do condutor, con máis corrente fluindo preto da superficie que preto do núcleo. Isto é coñecido como o efeito de pele nas liñas de transmisión.

Quantificación do efeito de pele

O efeito de pele pode quantificarse usando a profundidade de pele ou δ (delta), que é a profundidade baixo a superficie do condutor onde a densidade de corrente cae a aproximadamente o 37% do seu valor na superficie. Unha profundidade de pele menor indica un efeito de pele máis severo.

A profundidade de pele depende de varios factores, como:

A frecuencia da corrente alternada: unha frecuencia máis alta significa cambios máis rápidos no campo magnético e correntes de Foucault máis fortes. Polo tanto, a profundidade de pele diminúe á medida que a frecuencia aumenta.

A conductividade do condutor: unha conductividade máis alta significa menor resistencia e fluxo de correntes de Foucault máis fácil. Polo tanto, a profundidade de pele diminúe á medida que a conductividade aumenta.

A permeabilidade do condutor: unha permeabilidade máis alta significa máis ligazóns de fluxo magnético e correntes de Foucault máis fortes. Polo tanto, a profundidade de pele diminúe á medida que a permeabilidade aumenta.

A forma do condutor: diferentes formas teñen diferentes factores xeométricos que afectan a distribución do campo magnético e as correntes de Foucault. Polo tanto, a profundidade de pele varía con diferentes formas de conductores.

A fórmula para calcular a profundidade de pele para un condutor cilíndrico con sección transversal circular é:

δ é a profundidade de pele (en metros)

ω é a frecuencia angular da corrente alternada (en radiáns por segundo)

μ é a permeabilidade do condutor (en henrios por metro)

σ é a conductividade do condutor (en siemens por metro)

Por exemplo, para un condutor de cobre con sección transversal circular, operando a 10 MHz, a profundidade de pele é:

Isto significa que só unha fina capa de 0,066 mm preto da superficie do condutor transporta a maior parte da corrente nesta frecuencia.

Reducción dos efectos de pele

Os efectos de pele poden causar varios problemas nas liñas de transmisión, como:

• Aumento das perdas de potencia e o aquecemento do condutor, que reducen a eficiencia e a fiabilidade do sistema.

• Aumento da impedancia e a caída de voltaxe da liña de transmisión, que afectan a calidade do sinal e a entrega de potencia.

• Aumento da interferencia electromagnética e a radiación da liña de transmisión, que pode afectar aos dispositivos e circuitos próximos.

Polo tanto, é deseable reducir o efeito de pele nas liñas de transmisión tanto como sexa posible. Algunhas dos métodos que se poden usar para reducir os efectos de pele son:

• Usar conductores con maior conductividade e menor permeabilidade, como o cobre ou a prata, en lugar do ferro ou do acero.

• Usar conductores con diámetros ou áreas transversais menores, que reducen a diferenza entre as densidades de corrente na superficie e no núcleo.

• Usar conductores estrangulados ou trenzados en lugar de conductores sólidos, que aumentan a superficie efectiva do condutor e reducen as correntes de Foucault. Un tipo especial de conductor estrangulado chamado litz wire está deseñado para minimizar o efeito de pele ao torcer as fibras de xeito que cada fibra ocupa diferentes posicións na sección transversal ao longo da súa lonxitude.

• Usar conductores hólbos ou tubulares en lugar de conductores sólidos, que reducen o peso e o custo do condutor sen afectar significativamente o seu rendemento. A parte hólbida do condutor non transporta moita corrente debido ao efeito de pele, polo que pode ser eliminada sen afectar o fluxo de corrente.

• Usar múltiples conductores paralelos en lugar dun único condutor, que aumentan a área transversal efectiva do condutor e reducen a súa resistencia. Este método tamén é coñecido como agrupamento ou transposición.

• Reducir a frecuencia da corrente alternada aumenta a profundidade de pele e reduce o efeito de pele. No entanto, isto pode non ser factible para algúns aplicacións que requiren sinais de alta frecuencia.

Conclusión

O efeito de pele é un fenómeno que ocorre nas liñas de transmisión cando unha corrente alternada fluye a través dun condutor. Causa unha distribución desuniforme de corrente na sección transversal do condutor, con máis corrente fluindo preto da superficie que preto do núcleo. Isto aumenta a resistencia efectiva e a impedancia do condutor e reducen a súa eficiencia e rendemento.

O efeito de pele depende de varios factores, como a frecuencia, a conductividade, a permeabilidade e a forma do condutor. Pode quantificarse utilizando un parámetro chamado profundidade de pele, que é a profundidade baixo a superficie onde a densidade de corrente cae ao 37% do seu valor na superficie.

O efeito de pele pode reducirse usando varios métodos, como usar conductores con maior conductividade e menor permeabilidade, diámetro ou área transversal menor, estrutura estrangulada ou trenzada, forma hólbida ou tubular, disposicións paralelas múltiples, ou frecuencia menor.

O efeito de pele é un concepto importante na enxeñaría eléctrica que afecta o deseño e a análise das liñas de transmisión e outros compoñentes que usan correntes alternadas. Debe terse en conta ao escoller o tipo e tamaño adecuados de conductores para diferentes aplicacións e frecuencias.