Comprendre l'effet de peau dans les lignes de transmission

Une ligne de transmission est un conducteur qui transporte de l'énergie électrique ou des signaux d'un point à un autre. Les lignes de transmission peuvent être fabriquées avec différents matériaux, formes et dimensions, en fonction de l'application et de la distance impliquée. Cependant, lorsqu'elles sont utilisées pour des systèmes en courant alternatif (CA), elles peuvent présenter un phénomène appelé effet de peau, qui affecte leur performance et leur efficacité.

Qu'est-ce que l'effet de peau dans les lignes de transmission?

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 noyau. Cela signifie que la partie intérieure du conducteur transporte moins de courant que la partie extérieure, entraînant une résistance effective accrue du conducteur.

L'effet de peau réduit la section transversale effective du conducteur disponible pour le flux de courant, ce qui augmente les pertes de puissance et le chauffage du conducteur. L'effet de peau provoque également un changement dans l'impédance de la ligne de transmission, ce qui affecte la tension et la distribution du courant le long de la ligne. L'effet de peau est plus prononcé à des fréquences plus élevées, des diamètres plus grands et des conductivités plus faibles des conducteurs.

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, en particulier ceux fonctionnant à haute fréquence, tels que 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.

Quelles sont les causes de l'effet de peau dans les lignes de transmission?

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 à travers un conducteur cylindrique, il crée un champ magnétique autour et à l'intérieur du conducteur. La direction et l'amplitude de ce champ magnétique varient selon la fréquence et l'amplitude du courant alternatif.

Selon la loi de Faraday de l'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 noyau 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 noyau. En revanche, près de la surface du conducteur, où il y a moins de liaison de flux magnétique avec le courant alternatif original, il y a des courants de Foucault plus faibles et un champ électrique opposé plus faible. Par conséquent, il y a une densité de courant nette 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 noyau. Cela est connu sous le nom d'effet de peau dans les lignes de transmission.

Comment quantifier l'effet de peau dans les lignes de transmission?

Une façon de quantifier l'effet de peau dans les lignes de transmission est d'utiliser un paramètre appelé profondeur de peau ou δ (delta). La profondeur de peau est définie comme la profondeur sous la surface du conducteur où la densité de courant tombe à 1/e (environ 37%) de sa valeur à la surface. Plus la profondeur de peau est petite, plus l'effet de peau est 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 dans le 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 écoulement 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 des facteurs géométriques différents qui affectent la distribution du champ magnétique et les courants de Foucault. Par conséquent, la profondeur de peau varie en fonction de différentes formes de conducteurs.

La formule pour calculer la profondeur de peau pour un conducteur cylindrique avec une section transversale circulaire est:

où:

• δ est la profondeur de peau (en mètres)

• ω est la fréquence angulaire 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 avec une section transversale 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.

Comment réduire les effets de peau dans les lignes de transmission?

Les effets de peau peuvent causer plusieurs problèmes dans les lignes de transmission, tels que:

• Des pertes de puissance accrues et un chauffage du conducteur, ce qui réduit l'efficacité et la fiabilité du système.

• Une impédance accrue et une chute de tension de la ligne de transmission, ce qui affecte la qualité du signal et la livraison de puissance.

• Un brouillage électromagnétique accru et une radiation de la ligne de transmission, ce qui peut affecter les appareils 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 les effets 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 de surface et de noyau.

• Utiliser des conducteurs en brins ou en tresse au lieu de conducteurs pleins augmente la surface effective du conducteur et réduit les courants de Foucault. Un type spécial de conducteur en brins 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 pleins réduit le poids et le coût du conducteur sans affecter significativement sa performance. 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 l'écoulement du 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 groupement 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 lorsque un courant alternatif circule à travers un conducteur. Il cause une répartition inégale du courant sur la section transversale du conducteur, avec plus de courant circulant près de la surface que près du noyau. 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 petite, une structure en brins ou en tresse, une forme creuse ou tubulaire, des arrangements parallèles multiples, ou une fréquence plus basse.

L'effet de peau est un concept important en ingénierie électrique qui affecte la conception et l'analyse des lignes de transmission et d'autres composants qui utilisent 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.

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