Efecto pelicular
Ley de Ohm
Por una porción de conductor de longitud l, sección de radio a, por el que circula una corriente de intensidad i, la ley de Ohm se escribe
V'-V es la diferencia de potencial entre dos puntos de la superficie del conductor separados l
La resistencia es directamente proporcional a la longitud l de la porción de conductor e inversamente proporcional al área (πa2) de su sección. La constante de proporcionalidad se denomina resistividad 1/σ y a a la inversa, σ conductividad del material. Por ejemplo, para el cobre la resistividad es 0.0175·10-6 Ω·m

Cuando la intensidad i no está uniformente distribuida en la sección del conductor, la ley de Ohm se expresa en términos del vector densidad de corriente , cuyo módulo es el cociente entre la intensidad i y el área de la sección (πa2), para una corriente uniformente distribuida en la sección del conductor
Para una corriente que no está uniformente distribuida en su sección, la intensidad es

Cuando circula una corriente alterna, i(t)=i0exp(iωt), de frecuencia angular ω, la impedancia Z del conductor es
Siendo L el coeficiente de autoinducción de la porción del conductor
Ley de Ampère

La ley de Ampère-Maxwell es
Despreciamos el segundo término, las denominadas corrientes de desplazamiento. El campo magnético en el interior del conductor es
El campo magnético Bφ es tangente a la circunferencia de radio ρ y en el sentido indicado en la figura, de acuerdo con la regla de la mano derecha
Ley de Faraday

Como la intesidad de la corriente es variable con el tiempo (de frecuencia ω), el campo magnético Bφ es variable con el tiempo, el flujo a través de la superficie ABCD es variable con el tiempo. Aplicamos la ley de Faraday para calcular el campo eléctrico en el conductor.
El flujo del campo magnético Bφ a través del área del rectángulo de lados ρ y Δz, es
La circulación del campo eléctrico a lo largo del camino ABCD es
El resultado de la aplicación de la ley de Faraday, es
Aplicamos la ley de Ohm, relacionando el campo eléctrico y la densidad de corriente,
Por el conductor circula una corriente alterna de frecuencia angular ω
La ecuación se simplifica, al separarse las variables t y ρ
Se define espesor pelicular, el parámetro δ, llegando a la ecuación
Método de las aproximaciones sucesivas
Para obtener la solución Jz(ρ) de esta ecuación, utilizamos el método de las aproxiamciones sucesivas
Primera aproximación: dado Jz(ρ)=J0, que es constante, obtenemos J1(ρ)
Segunda aproximación, dado J1(ρ), obtenemos J2(ρ)
Tercera aproximación, dado J2(ρ), obtenemos J3(ρ)
Aproximación, n
La solución buscada Jz(ρ) es la serie
En el artículo citado en las referencias, se demuestra que la serie es convergente y que Jz(ρ) es la solución de la ecuación
Densidad de corriente
Representamos el valor absoluto del cociente |Jz(ρ)|/|Jz(a)|, para a/δ=6. Las líneas verticales distan δ de la superficie del conductor. La corriente circula por una porción de la sección del conductor, la mayor parte, por el anillo de radio interior a-δ y radio exterior, a, y muy poca por el eje del conductor
function skin_3 a=1; r=6; delta=a/r; den=abs(serie(a)); x=linspace(0,a,100); y=abs(serie(x))/den; plot([fliplr(-x) x], [fliplr(y) y]); line([-a+delta,-a+delta],[0,1],'lineStyle','--') line([a-delta,a-delta],[0,1],'lineStyle','--') xlabel('\rho/a') ylabel('|J_z(\rho)|/J_z(a)|') grid on title('Efecto pelicular') function res=serie(x) res=0; for k=0:50 res=res+(-1i/2)^k*((x/delta).^k/factorial(k)).^2; end end end
Representamos el valor absoluto del cociente |Jz(ρ)|/|Jz(a)|, para varios valores de a/δ=1, 3, 6, 10.
function skin a=1; hold on for r=[1,3,6,10] delta=a/r; den=abs(serie(a)); x=linspace(0,a,100); y=abs(serie(x))/den; plot([fliplr(-x) x], [fliplr(y) y], 'displayName',num2str(r)); end hold off xlabel('\rho/a') ylabel('|J_z(\rho)|/J_z(a)|') legend('-DynamicLegend','location','best') grid on title('Efecto pelicular') function res=serie(x) res=0; for k=0:200 res=res+(-1i/2)^k*((x/delta).^k/factorial(k)).^2; end end end
Sea un conductor de cobre de radio 0.5 mm. La resistividad del cobre es 0.0175·10-6 Ω·m. Para el cociente a/δ=3, calculamos la frecuencia f de la corriente alterna
El resultado es f=1.596·105 Hz=159.6 kHz. Del mismo modo,
- Para a/δ=1, f=17.73 kHz
- Para a/δ=6, f=638.3 kHz
- Para a/δ=10, f=1.773 MHz
Impedancia
La impedancia por unidad de longitud es
Resolvemos la integral del denominador
La impedancia Z por unidad de longitud, es el cociente entre dos series
El factor que multiplica es la resistencia por unidad de longitud, r0=1/(πσa2) cuando circula corriente continua por el conductor, ω=0
Parte real
La impedancia Z es un número complejo, la parte real Re, es la resistencia R por unidad de longitud
Representamos la resistencia R por unidad de longitud, la parte real de Z/r0 en función de a/δ
function skin_1 x=linspace(0,5,100); %a/delta Z=serie_num(x)./serie_den(x); plot(x,real(Z)) xlabel('a/\delta') ylabel('Re(Z)/r_0') grid on title('Efecto pelicular') function res=serie_num(x) res=0; for k=0:100 res=res+(-1i/2)^k*(x.^k/factorial(k)).^2; end end function res=serie_den(x) res=0; for k=0:100 res=res+(-1i/2)^k*(x.^k/factorial(k)).^2/(k+1); end end end
La respresentación gráfica nos sugiere que habrá dos posibles expresiones asintóticas para la resistencia, cuando la frecuencia es pequeña, ω→0 y cuando es grande, ω→∞
Para un conductor de cobre (resistividad, 0.0175·10-6 Ωm) de radio a=0.5 mm, la resistencia por unidad de longitud cuando conduce corriente continua es,
Cuando conduce una corriente alterna de frecuencia f=159.6 kHz, lo que corresponde al cociente a/δ=3, obtenemos
... x=3; %a/delta disp(real(serie_num(x)/serie_den(x)))
1.7681
La resistencia por unidad de longitud es 1.7681·r0 más grande
Para la frecuencia f=638.3 kHz, lo que corresponde al cociente a/δ=6, obtenemos 3.2652·r0
Parte imaginaria
La parte imaginaria, Imag,es la impedancia inductiva -iωL por unidad de longitud del conductor. Teniendo en cuenta la definición del espesor δ
Representamos el coeficiente de autoinducción L/(μ0/4π)=L·107 por unidad de longitud, la parte imaginaria de Z multiplicada por el factor (δ/a)2 en función de δ/a
function skin_2 xx=linspace(0,1.6,100); %delta/a r=-2*serie_num(1./xx).*(xx.^2)./serie_den(1./xx); plot(xx,imag(r)) xlabel('\delta/a') ylabel('L/(\mu_0/4\pi)') grid on title('Efecto pelicular') function res=serie_num(x) res=0; for k=0:130 res=res+(-1i/2)^k*(x.^k/factorial(k)).^2; end end function res=serie_den(x) res=0; for k=0:130 res=res+(-1i/2)^k*(x.^k/factorial(k)).^2/(k+1); end end end
La respresentación gráfica nos sugiere que habrá dos posibles expresiones asintóticas para el coeficiente de autoinducción, cuando la frecuencia es pequeña, ω→0 y cuando es grande, ω→∞
Referencias
Glenn S Smith. A simple derivation for the skin effect in a round wire. Eur. J. Phys. 35 (2014) 025002