Efectul pielii
Efectul pielii ( efectul pielii în engleză) este tendința unui curent electric alternativ de a fi distribuit inegal în interiorul unui conductor : densitatea acestuia este mai mare decât la suprafață și fundul interior. Acest lucru duce la o creștere a rezistenței electrice a conductorului, în special la frecvențe înalte. Cu alte cuvinte, o parte a conductorului nu este utilizată și, prin urmare, este ca și cum nu ar exista. Aceasta implică o disipare mai mare a puterii, cu același curent aplicat, sau trecerea unui curent inferior cu aceeași tensiune aplicată ( legea lui Ohm ).
Fenomenul a fost explicat pentru prima dată de Lord Kelvin în 1887 ; în plus, Nikola Tesla a studiat și problema.
Se numește „efect de piele ” deoarece, deoarece pielea protejează țesuturile subiacente, astfel câmpul se descompune foarte repede în stratul exterior al conductorului ca și cum ar fi prezent un strat de piele, împiedicând câmpul să interacționeze cu ceea ce este în interiorul conductorului. . Analogia ne permite să înțelegem de ce este folosită pentru a crea ecrane electromagnetice.
Definiție
Din punct de vedere teoretic, densitatea curentului J ( curentul care curge prin unitatea de suprafață) într-un conductor scade exponențial pe măsură ce își pătrunde interiorul de la suprafața exterioară. Acest lucru se aplică conductoarelor cu secțiune transversală circulară sau de altă formă. La adâncimea d densitatea curentului J este de aproximativ:
unde este: este densitatea curentului pe suprafața conductorului e este o constantă care indică „adâncimea de penetrare” (sau „adâncimea pielii”) curentului (grosimea, începând de la suprafață, în care curge cea mai mare parte a curentului).
La adâncime densitatea curentului este de 1 / e (aproximativ 0,37) ori mai mare decât cea prezentă pe suprafața externă.
Pentru a calcula valoarea sa, folosim relația:
unde este = rezistivitatea (numită și rezistență specifică) a conductorului; = frecvența unghiulară (sau pulsația) curentului (frecvența ν); = permeabilitatea magnetică absolută a materialului conductiv (care, pentru conductorii obișnuiți, este egală cu cea a vidului: ).
Rezistența unei foi plate (mai groasă decât ) la trecerea unui curent alternativ este egală cu rezistența unei plăci groase în care curge un curent continuu.
Dacă conductorul este un fir cu secțiune circulară, rezistența sa alternativă este aproximativ aceeași cu cea a unui fir gros gros și cu același diametru ca firul solid.
Formula de calcul aproximativă în acest caz este:
unde este: = lungimea conductorului cablului = diametrul exterior al conductorului cablului = grosimea coroanei circulare
Ultima aproximare este mai precisă dacă .
Înlocuind valoarea în valoarea aproximativă obținută pentru noi obținem:
- ; asa de:
Prin urmare, se poate afirma că: „pentru un fir circular rezistența crește proporțional cu rădăcina pătrată a frecvenței”.
Ecrane
Într-o placă de material conductor, utilizată pentru a crea ecrane electromagnetice, adâncimea de penetrare se calculează:
unde este:
- ν = frecvența undei incidente pe placă, în hertz ;
- σ = conductivitatea materialului care formează foaia, în siemens pe metru ;
- μ = permeabilitatea magnetică absolută a materialului conductor
Atenuarea efectului pielii
Există mai multe moduri de a reduce problema sau de a minimiza inconvenientele:
- firul litz (din limba germană Litzendraht , sârmă împletită) este utilizat pentru a reduce efectul pielii pentru frecvențe de la câțiva kHz la aproximativ 1 MHz. Este format din numeroase fire izolate unele de altele prin emailare și este acoperit cu bumbac. A fost folosit mai ales pentru a face antene, înfășurând firul în funcție de un anumit tip de geometrie numit fagure , astfel încât câmpul magnetic să aibă același efect asupra tuturor firelor individuale ale bobinei . Cablul Litz este adesea utilizat în transformatoarele de înaltă frecvență pentru a le crește eficiența, reducând efectul de piele și efectul de proximitate , precum și în transformatoarele de putere.
- Acoperire cu argint : firele sunt acoperite cu un strat subțire de argint . Acest metal are, de fapt, o rezistivitate mai mică decât cea a cuprului . La frecvențe înalte ( VHF și cuptor cu microunde ), stratul aplicat este suficient pentru a conține grosimea δ a efectului pielii.
- Conductori bimetalici . Conductorul este alcătuit din două metale: cel mai valoros, care oferă o rezistență mai mică (de exemplu, aluminiu) constituie „pielea” exterioară, în timp ce miezul interior este format din materie primă mai puțin valoroasă, a cărei conductivitate mai mică, totuși, nu afectează în mod substanțial performanța, deoarece nu este afectată de conducerea curenților alternativi (miezul interior trebuie realizat astfel încât să fie cu mult sub grosimea δ , într-o zonă substanțial exclusă de la conducerea curenților alternativi).
- Conductoare goale . Acestea sunt similare cu cele anterioare, dar nu au parte internă și, prin urmare, prezintă o structură tubulară. Nu oferă avantaje în ceea ce privește rezistența electrică, care rămâne în esență aceeași ca un conductor solid. Avantajul se datorează utilizării mai mici a materiilor prime și ușurinței mai mari.
Exemple
Tabelul de mai jos arată grosimea efectului pielii într-un cablu de cupru la diferite frecvențe.
frecvență | δ |
---|---|
60 Hz | 8,57 mm |
10 kHz | 0,66 mm |
10 MHz | 21 µm |
Importanţă
Pentru cablurile de cupru la frecvența de rețea (50 Hz) valoarea δ este mai mare de 8 mm. În consecință, pentru aplicații civile de putere mică și medie efectul pielii nu este foarte semnificativ, deoarece cablurile de cupru au secțiuni mult mai mici decât δ. În schimb, efectul pielii are consecințe practice în proiectul de:
- linii electrice pentru transportul energiei electrice
- în circuitele de frecvență radio
- în câmpul cu microunde
- transportul semnalelor audio
Elemente conexe
Alte proiecte
- Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Skin Effect
linkuri externe
- Studiu aprofundat asupra teoriei efectului pielii. Politecnico di Milano ( PDF ), pe etec.polimi.it . Adus la 26 martie 2005 (arhivat din original la 10 noiembrie 2004) .
- ( RO ) [1] Efect de piele și cabluri pentru Hifi .
Controlul autorității | LCCN ( EN ) sh85123196 |
---|