Effetto pelle
Che cos'è l'effetto pelle?
In questa lezione, dopo avere introdotto brevemente la differenza tra corrente continua e corrente alternata, vedremo che cos'è e a cosa è dovuto l'effetto pelle.
Studieremo inoltre quando tale effetto si realizza e in quali casi è particolarmente pronunciato.
Corrente continua e corrente alternata
Come detto in precedenza, prima di affrontare il discorso sull'effetto pelle ripassiamo brevemente la differenza che intercorre tra corrente continua e corrente alternata.
Una corrente continua è una corrente costante nel tempo, cioè una corrente che assume sempre lo stesso valore.
Una corrente alternata è invece una corrente che varia nel tempo secondo una curva sinusoidale.
Differenza tra corrente continua e corrente alternata: la corrente continua ha un valore costante nel tempo mentre la corrente alternata oscilla con una certa frequenza tra due valori di picco, uno positivo ed uno negativo.
Che cos'è l'effetto pelle?
La corrente continua quando percorre un conduttore filiforme, si distribuisce uniformemente sulla sua sezione; ciò significa che la densità di corrente è la stessa in tutti i punti della sezione.
La corrente alternata, invece, non è distribuita uniformemente ma ha densità maggiore in prossimità del contorno che non nella zona centrale della sezione e la disuniformità cresce al crescere della frequenza. A questo fenomeno si dà il nome di effetto pelle (skin effect) o effetto pellicolare o effetto Kelvin.
In altre parole, nel caso di una corrente alternata (δ) che percorre un conduttore, la densità di corrente non è distribuita uniformemente lungo la sezione del conduttore stesso ma ha densità maggiore in prossimità del contorno che non nella zona centrale della sezione; nella zona centrale la densità di corrente è praticamente nulla.
Effetto pelle: in rosso la densità di corrente. δ è massima in prossimità della superficie e minima al centro del conduttore.
A frequenze basse l'effetto è poco pronunciato, ma quando la lunghezza d'onda è paragonabile alle dimensioni trasversali del conduttore, o più piccola, la corrente è del tutto contenuta in un sottile strato superficiale. Ciò significa dunque che, all'aumentare della frequenza, lo spessore lungo cui è distribuita la corrente elettrica alternata diminuisce.
Effetto pelle e frequenza della corrente alternata
Come detto in precedenza, l'effetto pelle aumenta all'aumentare della frequenza della corrente elettrica alternata.
Come è possibile notare dai dati seguenti, man mano che la frequenza della corrente cresce, lo spessore dovuto all'effetto pelle diminuisce. A basse frequenza (60 Hz) lo spessore dovuto all'effetto pelle è di 8.570 µm; all'aumentare della frequenza tale valore diminuisce.
60 Hz → 8.570 µm
10.000 Hz → 660 µm
10.000.000 Hz → 21 µm
I dati sopra riportati si riferiscono a un conduttore in rame.
A cosa è dovuto l'effetto pelle?
L'effetto pelle è dovuto a forze elettromotrici (f.e.m.) che vengono indotte entro il conduttore dal flusso magnetico concatenato con la corrente che percorre il conduttore stesso.
Tali f.e.m. aumentano con la frequenza (in quanto dipendono dalla velocità di variazione del flusso magnetico) e sono tanto più piccole quanto più piccolo è il flusso concatenato con i percorsi dei filetti di corrente lungo il conduttore (e quindi sono minime per i filetti periferici).
La distribuzione della corrente sulla sezione dei conduttori dipende dal campo magnetico presente in essi e quindi dalla loro forma nonché dalla disposizione di altri conduttori percorsi da correnti variabili.
L'effetto pelle fa sì che la resistenza elettrica di un conduttore sia più grande in corrente alternata che non in corrente continua; inoltre la resistenza di un conduttore, per la stessa ragione, cresce con la frequenza.
Effetto pelle e perdite addizionali
Nelle macchine elettriche si dà il nome di "perdite addizionali" alla differenza, a pari valore efficace della corrente, tra la potenza perduta per effetto Joule in corrente alternata e quella perduta in corrente continua: tale differenza può anche essere maggiore della perdita in corrente continua.
Per utilizzare nel modo migliore il materiale metallico si fa uso, alle alte frequenze, di conduttori tubolari e, alle medie frequenze, di corde di fili sottili smaltati e intrecciati in modo che la trasposizione faccia occupare la stessa posizione per uguali lunghezze a tutti gli elementi.
Riassumendo
1) A differenza di quanto succede con la corrente continua, nel caso di una corrente alternata che attraversa un conduttore, la distribuzione di corrente non è distribuita uniformemente lungo la sezione del conduttore ma ha densità maggiore in prossimità del contorno che non nella zona centrale della sezione; tale effetto è noto come effetto pelle.
2) L'effetto pelle è tanto più pronunciato quanto maggiore è la frequenza della corrente elettrica alternata: ciò significa che all'aumentare della frequenza lo spessore lungo cui è distribuita la corrente elettrica diminuisce.
3) Per ovviare al fenomeno dell'effetto pelle, si fa uso, alle alte frequenze, di conduttori tubolari e, alle medie frequenze, di corde di fili sottili smaltati e intrecciati.
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