I. L’effet de peau : comprendre cette phénoménologie dans les conducteurs
L’effet de peau, ou skin effect en anglais, est un phénomène qui se manifeste lorsqu’un courant alternatif traverse un conducteur. Contrairement au courant continu qui se distribue de manière uniforme à travers toute la section du conducteur, le courant alternatif a tendance à se concentrer près de la surface externe du conducteur, laissant l’intérieur moins sollicité.Ce phénomène est désigné sous le nom de « l’effet de peau ».
II. Pourquoi l’effet de peau se produit-il ?
Lorsque le courant est alternatif, c’est-à-dire qu’il change de direction et d’intensité de manière périodique, il ne se distribue pas de manière homogène à travers la section du conducteur. Ce phénomène est lié à l’inductance des différentes parties du conducteur. Les parties situées au centre du conducteur sont entourées par un plus grand nombre de lignes de flux magnétiques, ce qui augmente leur inductance. À cause de cette inductance plus élevée au centre, la réactance électrique devient plus importante, ce qui freine le passage du courant dans ces zones. En revanche, les régions proches de la surface, ayant une inductance et une réactance moindres, laissent passer plus de courant.
III.Conséquences de l’effet de peau
En raison de ce phénomène, la surface effective à travers laquelle le courant peut circuler se réduit, ce qui provoque une augmentation de la résistance électrique du conducteur. Cette augmentation de la résistance est particulièrement marquée à haute fréquence, car l’effet de peau s’accentue lorsque la fréquence du courant alternatif augmente. Ainsi, plus le courant a une fréquence élevée, moins il pénètre dans le cœur du conducteur et plus il est confiné à la surface externe.
I.V. Les facteurs influençant l’effet de peau
La section du conducteur
Plus la section du conducteur est grande, plus l’effet de peau est prononcé. Cela signifie que dans les câbles de grande taille, le courant aura tendance à circuler principalement sur les bords.La fréquence
L’effet de peau augmente proportionnellement avec la fréquence du courant. Un courant à haute fréquence amplifie le confinement du courant à la surface du conducteur.La forme du conducteur
Un conducteur composé de plusieurs petits-fils isolés (par exemple, des câbles tressés ou en faisceau) présente un effet de peau moindre par rapport à un conducteur monobloc de même section. Cela s’explique par la distribution plus uniforme du courant dans un faisceau de fils fins.Le matériau du conducteur
L’effet de peau est plus marqué dans les matériaux conducteurs ayant une grande perméabilité magnétique, comme les matériaux ferromagnétiques. De même, les bons conducteurs électriques (comme le cuivre et l’argent) voient aussi un effet de peau plus notable à haute fréquence.
V. Réduire l’effet de peau
Pour minimiser les pertes causées par l’effet de peau, une solution consiste à diviser le conducteur en plusieurs conducteurs plus petits placés côte à côte. Cette approche, souvent utilisée dans les câbles de haute fréquence, permet de réduire l’inductance au centre du faisceau et de répartir le courant de manière plus homogène. Cette méthode est largement utilisée dans la conception de câbles en faisceau comme les câbles Litz, qui sont spécifiquement conçus pour limiter les pertes, par effet de peau et, par effet de proximité, dans les applications à haute fréquence.
Conclusion
L’effet de peau est un phénomène à considérer dans les applications avec lesquelles les courants alternatifs sont utilisés, particulièrement à haute fréquence. La compréhension de ce phénomène permet d’adapter les dimensions et la structure des conducteurs pour minimiser les pertes énergétiques et optimiser la performance des réseaux électriques.