Comprensione dell'Effetto Pelle nelle Linee di Trasmissione

Una linea di trasmissione è un conduttore che trasporta energia elettrica o segnali da un punto all'altro. Le linee di trasmissione possono essere realizzate con diversi materiali, forme e dimensioni, a seconda dell'applicazione e della distanza coinvolta. Tuttavia, quando le linee di trasmissione sono utilizzate per sistemi a corrente alternata (CA), possono manifestare un fenomeno chiamato effetto pelle, che influenza la loro prestazione ed efficienza.

Cosa è l'effetto pelle nelle linee di trasmissione?

L'effetto pelle è definito come la tendenza di una corrente CA a distribuirsi in modo non uniforme sulla sezione trasversale di un conduttore, in modo che la densità di corrente sia maggiore vicino alla superficie del conduttore e diminuisca 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 pelle riduce l'area effettiva della sezione trasversale del conduttore disponibile per il flusso di corrente, aumentando le perdite di potenza e il riscaldamento del conduttore. L'effetto pelle causa anche una variazione dell'impedenza della linea di trasmissione, influenzando la tensione e la distribuzione della corrente lungo la linea. L'effetto pelle è più pronunciato a frequenze più elevate, diametri maggiori e conducibilità inferiori dei conduttori.

L'effetto pelle non si verifica nei sistemi a corrente continua (CC), poiché la corrente scorre uniformemente nella sezione trasversale del conduttore. Tuttavia, nei sistemi CA, specialmente quelli operanti a frequenze elevate come i sistemi radio e microonde, l'effetto pelle può avere impatti significativi sul progetto e l'analisi delle linee di trasmissione e altri componenti.

Cosa causa l'effetto pelle nelle linee di trasmissione?

L'effetto pelle è causato dall'interazione del campo magnetico generato dalla corrente CA con il conduttore stesso. Come mostrato nella figura sottostante, quando una corrente CA scorre attraverso un conduttore cilindrico, crea un campo magnetico intorno e all'interno del conduttore. La direzione e la magnitudine di questo campo magnetico cambiano in base alla frequenza e all'ampiezza della corrente CA.

Secondo la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica, un campo magnetico variabile induce un campo elettrico in un conduttore. Questo campo elettrico, a sua volta, induce una corrente opposta nel conduttore, chiamata corrente indotta. Le correnti indotte circolano all'interno del conduttore e si oppongono alla corrente CA originaria.

Le correnti indotte sono più forti vicino al nucleo del conduttore, dove hanno una maggiore legatura di flusso magnetico con la corrente CA originaria. Quindi, 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 una minore legatura di flusso magnetico con la corrente CA originaria, ci sono correnti indotte più deboli e un campo elettrico opposto inferiore. Quindi, c'è una maggiore densità di corrente netta alla superficie.

Questo fenomeno risulta in una distribuzione ineguale della corrente sulla sezione trasversale del conduttore, con più corrente che scorre vicino alla superficie rispetto al nucleo. Questo è noto come effetto pelle nelle linee di trasmissione.

Come quantificare l'effetto pelle nelle linee di trasmissione?

Un modo per quantificare l'effetto pelle nelle linee di trasmissione è utilizzare un parametro chiamato profondità di pelle o δ (delta). La profondità di pelle è definita come la profondità sotto la superficie del conduttore in cui la densità di corrente diminuisce a 1/e (circa il 37%) del suo valore alla superficie. Più piccola è la profondità di pelle, più grave è l'effetto pelle.

La profondità di pelle dipende da diversi fattori, come:

• La frequenza della corrente CA: una frequenza più alta significa cambiamenti più rapidi nel campo magnetico e correnti indotte più forti. Quindi, la profondità di pelle diminuisce al crescere della frequenza.

• La conducibilità del conduttore: una conducibilità più elevata significa una resistenza inferiore e un flusso più facile delle correnti indotte. Quindi, la profondità di pelle diminuisce al crescere della conducibilità.

• La permeabilità del conduttore: una permeabilità più elevata significa una maggiore legatura di flusso magnetico e correnti indotte più forti. Quindi, la profondità di pelle diminuisce al crescere della permeabilità.

• La forma del conduttore: diverse forme hanno diversi fattori geometrici che influenzano la distribuzione del campo magnetico e le correnti indotte. Quindi, la profondità di pelle varia con diverse forme di conduttori.

La formula per calcolare la profondità di pelle per un conduttore cilindrico con sezione trasversale circolare è:

dove:

• δ è la profondità di pelle (in metri)

• ω è la frequenza angolare della corrente CA (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, operante 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.

Come ridurre gli effetti pelle nelle linee di trasmissione?

Gli effetti pelle possono causare diversi problemi nelle linee di trasmissione, come:

• Aumento delle perdite di potenza e del riscaldamento del conduttore, che riduce l'efficienza e l'affidabilità del sistema.

• Aumento dell'impedenza e del caduta di tensione della linea di trasmissione, che influenza la qualità del segnale e la distribuzione di potenza.

• Aumento dell'interferenza elettromagnetica e della radiazione dalla linea di trasmissione, che può influire su dispositivi e circuiti vicini.

Pertanto, è desiderabile ridurre l'effetto pelle nelle linee di trasmissione il più possibile. Alcuni dei metodi che possono essere utilizzati per ridurre gli effetti pelle sono:

• Utilizzare conduttori con conducibilità superiore e permeabilità inferiore, come rame o argento, invece di ferro o acciaio.

• Utilizzare conduttori con diametri o aree trasversali minori riduce la differenza tra la densità di corrente alla superficie e al nucleo.

• Utilizzare conduttori a fili intrecciati o trecce invece di conduttori solidi aumenta l'area superficiale effettiva del conduttore e riduce le correnti indotte. Un tipo speciale di conduttore a fili intrecciati chiamato filo Litz è progettato per minimizzare l'effetto pelle intrecciando i fili in modo che ogni filo occupi posizioni diverse nella sezione trasversale lungo la sua lunghezza.

• Utilizzare conduttori vuoti o tubolari invece di conduttori solidi riduce il peso e il costo del conduttore senza influire significativamente sulle sue prestazioni. La parte vuota del conduttore non trasporta molta corrente a causa dell'effetto pelle, quindi può essere rimossa senza influire sul flusso di corrente.

• Utilizzare più conduttori paralleli invece di un singolo conduttore aumenta l'area trasversale effettiva del conduttore e ne riduce la resistenza. Questo metodo è anche noto come raggruppamento o trasposizione.

• Ridurre la frequenza della corrente CA aumenta la profondità di pelle e riduce l'effetto pelle. Tuttavia, ciò potrebbe non essere fattibile per alcune applicazioni che richiedono segnali ad alta frequenza.

Conclusione

L'effetto pelle è un fenomeno che si verifica nelle linee di trasmissione quando una corrente CA scorre attraverso un conduttore. Causa una distribuzione ineguale della corrente sulla sezione trasversale del conduttore, con più corrente che scorre vicino alla superficie rispetto al nucleo. Ciò aumenta la resistenza e l'impedenza effettive del conduttore e ne riduce l'efficienza e le prestazioni.

L'effetto 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 alla superficie.

L'effetto pelle può essere ridotto utilizzando vari metodi, come l'uso di conduttori con conducibilità superiore e permeabilità inferiore, diametro o area trasversale minore, struttura a fili intrecciati o trecce, forma vuota o tubolare, disposizione multipla parallela, o frequenza inferiore.

L'effetto pelle è un concetto importante nell'ingegneria elettrica che influenza il progetto e l'analisi delle linee di trasmissione e altri componenti che utilizzano correnti CA. Dovrebbe essere tenuto in considerazione quando si scelgono il tipo e la dimensione appropriati dei conduttori per diverse applicazioni e frequenze.

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