Comprender o efecto de pele en liñas de transmisión

Unha liña de transmisión é un condutor que transporta enerxía eléctrica ou sinais dende un punto a outro. As liñas de transmisión poden estar feitas de diferentes materiais, formas e tamaños, dependendo da aplicación e da distancia envolvida. No entanto, cando as liñas de transmisión se usan para corrente alternada (CA), poden exhibir un fenómeno chamado efecto de superficie, que afecta o seu rendemento e eficiencia.

Que é o Efecto de Superficie nas Líneas de Transmisión?

O efecto de superficie define a tendencia dunha corrente CA 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 interna do condutor transporta menos corrente que a parte externa, resultando nun aumento da resistencia efectiva do condutor.

O efecto de superficie reduce a área transversal efectiva do condutor dispoñible para o fluxo de corrente, o que aumenta as perdas de potencia e o calentamento do condutor. O efecto de superficie tamén causa un cambio na impedancia da liña de transmisión, que afecta a tensión e a distribución de corrente ao longo da liña. O efecto de superficie é máis pronunciado a frecuencias máis altas, diámetros maiores e conductividades menores dos conductores.

O efecto de superficie non ocorre en corrente directa (CD) porque a corrente fluye uniformemente na sección transversal do condutor. No entanto, nos sistemas CA, especialmente aqueles que operan a frecuencias altas como os sistemas de radio e microondas, o efecto de superficie pode ter impactos significativos no deseño e análise das liñas de transmisión e outros componentes.

Que Causa o Efecto de Superficie nas Líneas de Transmisión?

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

Segundo a lei de Faraday da indución electromagnética, un campo magnético cambiante induce un campo eléctrico no 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 opónense á corrente CA orixinal.

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

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

Como Quantificar o Efecto de Superficie nas Líneas de Transmisión?

Unha forma de cuantificar o efecto de superficie nas liñas de transmisión é usar un parámetro chamado profundidade de superficie ou δ (delta). A profundidade de superficie defínese como a profundidade abaixo da superficie do condutor onde a densidade de corrente cae a 1/e (aproximadamente 37%) do seu valor na superficie. Cuanto menor sexa a profundidade de superficie, máis severo é o efecto de superficie.

A profundidade de superficie depende de varios factores, como:

• A frecuencia da corrente CA: Máis alta frecuencia significa cambios máis rápidos no campo magnético e correntes de Foucault máis fortes. Polo tanto, a profundidade de superficie diminúe a medida que a frecuencia aumenta.

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

• A permeabilidade do condutor: Máis alta permeabilidade significa máis ligazón de fluxo magnético e correntes de Foucault máis fortes. Polo tanto, a profundidade de superficie diminúe a 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 superficie varía con diferentes formas de conductores.

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

onde:

• δ é a profundidade de superficie (en metros)

• ω é a frecuencia angular da corrente CA (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 superficie é:

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

Como Reducir os Efectos de Superficie nas Líneas de Transmisión?

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

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

• Aumento da impedancia e caída de tensión da liña de transmisión, o que afecta a calidade do sinal e a entrega de potencia.

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

Polo tanto, é deseable reducir o efecto de superficie nas liñas de transmisión tanto como sexa posible. Algúns dos métodos que se poden empregar para reducir os efectos de superficie 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, reducindo a diferenza entre as densidades de corrente na superficie e no núcleo.

• Usar conductores estradados ou trenzados en lugar de conductores sólidos, aumentando a área de superficie efectiva do condutor e reducindo as correntes de Foucault. Un tipo especial de conductor estradado chamado litz wire está deseñado para minimizar o efecto de superficie torcendo os filamentos de xeito que cada filamento ocupe diferentes posicións na sección transversal ao longo da súa lonxitude.

• Usar conductores ocos ou tubulares en lugar de conductores sólidos, reducindo o peso e o custo do condutor sen afectar significativamente o seu rendemento. A parte oca do condutor non transporta moita corrente debido ao efecto de superficie, polo que pode ser eliminada sen afectar o fluxo de corrente.

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

• Reducir a frecuencia da corrente CA, aumentando a profundidade de superficie e reducindo o efecto de superficie. No entanto, isto pode non ser factible para algunhas aplicacións que requiren sinais de alta frecuencia.

Conclusión

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

O efecto de superficie depende de varios factores, como a frecuencia, a conductividade, a permeabilidade e a forma do condutor. Pode ser cuantificado usando un parámetro chamado profundidade de superficie, que é a profundidade abaixo da superficie onde a densidade de corrente cae a 37% do seu valor na superficie.

O efecto de superficie pode ser reducido usando varios métodos, como usar conductores con maior conductividade e menor permeabilidade, diámetros ou áreas transversais menores, estrutura estradada ou trenzada, forma oca ou tubular, disposicións paralelas múltiples ou frecuencia menor.

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

Declaración: Respetar el original, artículos buenos merecen ser compartidos, si hay infracción por favor contactar para eliminar.