Effetto Pelle nelle Linee di Trasmissione
Effetto di pelle definito
L'effetto di pelle nelle linee di trasmissione è il fenomeno in cui la corrente alternata si concentra vicino alla superficie del conduttore, aumentando la sua resistenza effettiva.
L'effetto di pelle è definito come la tendenza di una corrente alternata a distribuirsi in modo non uniforme lungo la sezione trasversale di un conduttore, in modo che la densità di corrente sia massima vicino alla superficie del conduttore e decresca esponenzialmente verso il nucleo. Ciò significa che la parte interna del conduttore trasporta meno corrente rispetto alla parte esterna, risultando in un aumento della resistenza effettiva del conduttore.
L'effetto di pelle riduce l'area sezione trasversale disponibile per il flusso di corrente, aumentando le perdite di potenza e il riscaldamento del conduttore. Modifica l'impedenza della linea di trasmissione, influendo sulla distribuzione di tensione e corrente. Questo effetto si intensifica con frequenze più elevate, diametri dei conduttori maggiori e conducibilità inferiori.
L'effetto di pelle non si verifica nei sistemi a corrente continua (DC), poiché la corrente scorre uniformemente lungo tutta la sezione trasversale del conduttore. Tuttavia, nei sistemi a corrente alternata, specialmente quelli che operano a frequenze elevate come i sistemi radio e microonde, l'effetto di pelle può avere impatti significativi sul progetto e l'analisi delle linee di trasmissione e di altri componenti.
Cause dell'effetto di pelle
L'effetto di pelle è causato dall'interazione del campo magnetico generato dalla corrente alternata con il conduttore stesso. Come mostrato nella figura sottostante, quando una corrente alternata scorre attraverso un conduttore cilindrico, crea un campo magnetico intorno e all'interno del conduttore. La direzione e l'intensità di questo campo magnetico cambiano in base alla frequenza e all'ampiezza della corrente alternata.
Secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, un campo magnetico in variazione induce un campo elettrico in un conduttore. Questo campo elettrico, a sua volta, induce una corrente opposta nel conduttore, chiamata corrente di turbolenza. Le correnti di turbolenza circolano all'interno del conduttore e si oppongono alla corrente alternata originale.
Le correnti di turbolenza sono più forti vicino al nucleo del conduttore, dove hanno maggiore legame di flusso magnetico con la corrente alternata originale. Pertanto, creano un campo elettrico opposto più elevato e riducono la densità di corrente netta al nucleo. D'altra parte, vicino alla superficie del conduttore, dove c'è meno legame di flusso magnetico con la corrente alternata originale, ci sono correnti di turbolenza più deboli e un campo elettrico opposto minore. Pertanto, c'è una densità di corrente netta più elevata alla superficie.
Questo fenomeno risulta in una distribuzione non uniforme della corrente lungo la sezione trasversale del conduttore, con più corrente che scorre vicino alla superficie rispetto al nucleo. Questo è noto come effetto di pelle nelle linee di trasmissione.
Quantificazione dell'effetto di pelle
L'effetto di pelle può essere quantificato utilizzando la profondità di pelle o δ (delta), che è la profondità sotto la superficie del conduttore in cui la densità di corrente diminuisce fino a circa il 37% del suo valore superficiale. Una profondità di pelle minore indica un effetto di pelle più grave.
La profondità di pelle dipende da diversi fattori, come:
La frequenza della corrente alternata: una frequenza più alta significa cambiamenti più veloci nel campo magnetico e correnti di turbolenza più forti. Pertanto, la profondità di pelle diminuisce man mano che la frequenza aumenta.
La conducibilità del conduttore: una conducibilità più elevata significa una resistenza inferiore e un flusso più facile delle correnti di turbolenza. Pertanto, la profondità di pelle diminuisce man mano che la conducibilità aumenta.
La permeabilità del conduttore: una permeabilità più elevata significa un maggiore legame di flusso magnetico e correnti di turbolenza più forti. Pertanto, la profondità di pelle diminuisce man mano che la permeabilità aumenta.
La forma del conduttore: forme diverse hanno fattori geometrici diversi che influiscono sulla distribuzione del campo magnetico e sulle correnti di turbolenza. Pertanto, la profondità di pelle varia con forme diverse di conduttori.
La formula per calcolare la profondità di pelle per un conduttore cilindrico con sezione trasversale circolare è:
δ è la profondità di pelle (in metri)
ω è la frequenza angolare della corrente alternata (in radianti al secondo)
μ è la permeabilità del conduttore (in henry al metro)
σ è la conducibilità del conduttore (in siemens al metro)
Ad esempio, per un conduttore di rame con sezione trasversale circolare, funzionante a 10 MHz, la profondità di pelle è:
Ciò significa che solo uno strato sottile di 0,066 mm vicino alla superficie del conduttore trasporta la maggior parte della corrente a questa frequenza.
Riduzione degli effetti di pelle
Gli effetti di pelle possono causare diversi problemi nelle linee di trasmissione, come:
Aumento delle perdite di potenza e riscaldamento del conduttore, che riduce l'efficienza e l'affidabilità del sistema.
Aumento dell'impedenza e del calo di tensione della linea di trasmissione, che influisce sulla qualità del segnale e sulla distribuzione di potenza.
Aumento dell'interferenza eletromagnetica e della radiazione dalla linea di trasmissione, che può influire su dispositivi e circuiti vicini.
Pertanto, è desiderabile ridurre l'effetto di pelle nelle linee di trasmissione il più possibile. Alcuni dei metodi che possono essere utilizzati per ridurre gli effetti di pelle sono:
Utilizzare conduttori con conducibilità più elevata e permeabilità inferiore, come il rame o l'argento, invece del ferro o dell'acciaio.
Utilizzare conduttori con diametri o aree sezione trasversale minori riduce la differenza tra le densità di corrente superficiale e nucleo.
Utilizzare conduttori tralicciati o intrecciati invece di conduttori solidi aumenta l'area superficiale effettiva del conduttore e riduce le correnti di turbolenza. Un tipo speciale di conduttore tralicciato chiamato filo Litz è progettato per minimizzare l'effetto di pelle facendo ruotare le fibre in modo che ciascuna occupi posizioni diverse nella sezione trasversale lungo la sua lunghezza.
Utilizzare conduttori cavi o tubolari invece di conduttori solidi riduce il peso e il costo del conduttore senza influire significativamente sulle sue prestazioni. La parte cava del conduttore non trasporta molta corrente a causa dell'effetto di pelle, quindi può essere rimossa senza influire sul flusso di corrente.
Utilizzare più conduttori paralleli invece di un singolo conduttore aumenta l'area sezione trasversale effettiva del conduttore e ne riduce la resistenza. Questo metodo è anche noto come raggruppamento o trasposizione.
Ridurre la frequenza della corrente alternata aumenta la profondità di pelle e riduce l'effetto di pelle. Tuttavia, ciò potrebbe non essere fattibile per alcune applicazioni che richiedono segnali ad alta frequenza.
Conclusione
L'effetto di pelle è un fenomeno che si verifica nelle linee di trasmissione quando una corrente alternata scorre attraverso un conduttore. Causa una distribuzione non uniforme della corrente lungo la sezione trasversale del conduttore, con più corrente che scorre vicino alla superficie rispetto al nucleo. Questo aumenta la resistenza e l'impedenza effettive del conduttore e ne riduce l'efficienza e le prestazioni.
L'effetto di pelle dipende da diversi fattori, come la frequenza, la conducibilità, la permeabilità e la forma del conduttore. Può essere quantificato utilizzando un parametro chiamato profondità di pelle, che è la profondità sotto la superficie in cui la densità di corrente diminuisce al 37% del suo valore superficiale.
L'effetto di pelle può essere ridotto utilizzando vari metodi, come l'utilizzo di conduttori con conducibilità più elevata e permeabilità inferiore, diametro o area sezione trasversale minori, struttura tralicciata o intrecciata, forma cava o tubolare, disposizioni parallele multiple o frequenza inferiore.
L'effetto di pelle è un concetto importante nell'ingegneria elettrica che influenza il progetto e l'analisi delle linee di trasmissione e di altri componenti che utilizzano correnti alternate. Dovrebbe essere preso in considerazione quando si sceglie il tipo e la dimensione appropriati dei conduttori per diverse applicazioni e frequenze.
