Hello visiteur mon site utilise des cookies pour les statistiques de fréquentation!

Page sur les effets de peau

L'effet de peau ou effet pelliculaire (ou plus rarement effet Kelvin) est un phénomène électromagnétique qui fait que, à fréquence élevée, le courant a tendance à ne circuler qu'en surface des conducteurs. Ce phénomène d'origine électromagnétique existe pour tous les conducteurs parcourus par des courants alternatifs. Il provoque la décroissance de la densité de courant à mesure que l'on s'éloigne de la périphérie du conducteur. Il en résulte une augmentation de la résistance du conducteur.
Cet effet peut être utilisé pour alléger le poids des lignes de transmission à haute fréquence en utilisant des conducteurs tubulaires, ou même des tuyaux, sans perte de courant. Il sert aussi dans le blindage électromagnétique des fils coaxiaux en les entourant d'un mince étui métallique qui garde les courants induits par les hautes fréquences ambiantes sur l'extérieur du câble.

Cause


Formation de boucle de courant induit par la variation du champ magnétique (H) dans un courant alternatif.
Tout courant se déplaçant dans un conducteur génère un champ magnétique autour de ce dernier. Quand un courant continu traverse un conducteur, la différence de potentiel est uniforme et les charges se déplacent dans le conducteur de manière isotrope ce qui donne un champ magnétique constant (H). Par contre, lorsqu'un courant alternatif circule, les charges oscillent et le champ magnétique varie ce qui induit une boucle de courant électrique inverse .
Sur la figure de droite, on peut voir que la boucle va de la périphérie du conducteur vers le centre. La direction de rotation est toujours inverse à celle de la variation de courant dans le conducteur. Ainsi, la somme du courant alternatif avec celui de la boucle est toujours plus faible au centre du conducteur alors que ces deux courants s'additionnent en périphérie.
Cela signifie que le courant ne circule pas uniformément dans toute la section du conducteur. Tout se passe comme si la section utile du câble était plus petite. La résistance augmente donc, ce qui conduit à des pertes par effet joule plus importantes.

Mise en évidence par Nikola Tesla

Sur son estrade, Nikola Tesla avait des bobinages, des lampes à incandescences, et surtout, d'étonnants tubes de verre emplis de gaz à très basse pression. Tesla saisissait d'une main un fil conducteur provenant d'une de ses bobines, et où circulait un courant alternatif à haute tension. De l'autre main, il prenait un tube et celui-ci s'illuminait, à la stupéfaction de la salle. Comme Tesla employait un courant à très haute fréquence, par effet de peau, celui-ci ne pénétrait pas dans le conducteur qu'était son corps mais circulait à sa périphérie pour atteindre le tube.

épaisseur de peau dans un métal

L'épaisseur de peau détermine, en première approximation, la largeur de la zone où se concentre le courant dans un conducteur. Elle permet de calculer la résistance effective à une fréquence donnée. Dans ce calcul, on néglige la partie réelle devant la partie imaginaire : la conductivité des métaux étant très élevée.
δ = √( 2 / ω * µ * σ ) = √( 2 * ρ / ω * µ)
Détail
δ : épaisseur de peau en mètre [m]
ω : pulsation en radian par seconde [rad / s] (ω=2.p.f)
f : fréquence du courant en Hertz [Hz]
µ : perméabilité magnétique en Henry par mètre [H / m]
ρ : résistivité en Ohm-mètre [O.m] (ρ = 1 / s)
σ : conductivité électrique en Siemens par mètre [S / m]
Pour un conducteur de section significativement plus grande que d, on peut calculer la résistance effective à une fréquence donnée en considérant que seule la partie extérieure d'épaisseur d contribue à la conduction. Par exemple pour un conducteur cylindrique de rayon R, on aura une section utile de :
Su = π * ( R² - δ )²

Modélisation dans un conducteur cylindrique en régime harmonique


Fonction de répartition du courant dans un conducteur cylindrique en régime harmonique. En abscisse : la profondeur en p.u. de l'épaisseur de peau, en prenant la surface pour origine. En ordonnée : le rapport du module du courant circulant entre la surface et une profondeur r donnée sur le module du courant total traversant la section du conducteur. Le rayon a du cylindre a été choisi arbitrairement à 5 fois l'épaisseur de peau.
Soit I(r) le courant circulant dans l'épaisseur comprise entre la surface et le rayon r du cylindre, et I le courant total.
La fonction de répartition du courant ayant pour origine r = 0 la surface du conducteur est donnée par l'expression :
I (r) / I = { Ber (√2α / δ) - Ber (√2r / δ) + i [Bei (√2α / δ) - Bei (√2r / δ)] / Ber (√2α / δ) + i Bei (√2α / δ).
Si l'on représente graphiquement le module de la fonction de répartition du courant dans le conducteur cylindrique, c'est-à-dire I(r) / I, on constate que plus de 80% du courant circule dans l'épaisseur de peau, ce qui justifie l'approximation faite lors du calcul de la résistance effective du conducteur. Le dépassement de la valeur 1 qui apparaît sur la figure est due à la rotation de phase de la densité de courant qui peut s'inverser à certaine profondeur par rapport au courant total.

Atténuation

L'effet de peau est généralement une nuisance, car il crée des pertes supplémentaires, des atténuations à fréquence élevée, etc. Une manière efficace d'en diminuer l'effet est de diviser le conducteur, c'est-à-dire de le remplacer par plusieurs conducteurs en parallèle isolés entre eux.
Dans l'idéal, chaque brin du conducteur ainsi formé devrait avoir un rayon inférieur à d. Le fil de Litz est un type de conducteur qui pousse à l'extrême cette division.
Une autre technique consiste à plaquer le conducteur avec de l'argent. Lorsque la «peau» est entièrement dans la couche d'argent, elle bénéficie de ce que l'argent a la plus faible résistivité de tous les métaux. Cette méthode peut être un bon compromis pour un courant composé de deux composantes, l'une à basse fréquence qui circulera dans la totalité de la section, l'autre à très haute fréquence qui circulera dans l'argent.
On peut enfin envisager des géométries de conducteurs permettant de limiter l'effet de peau. Dans les postes électriques haute tension, on utilise fréquemment des conducteurs tubulaires creux en aluminium ou cuivre pour transporter de forts courants. L'épaisseur du tube est en général de l'ordre de d, ce qui permet une utilisation effective de l'ensemble du conducteur. En basse tension on utilise parfois des géométries plus complexes et permettant un meilleur comportement thermique, mais l'idée est toujours d'avoir des épaisseurs de conducteur ne dépassant pas d.

Entre deux conducteurs


Schéma montrant une vue en coupe de deux conducteurs qui sont en transmission. La zone verte contient les charges porteuses.
Dans un câble composé de deux conducteurs (aller et retour du courant), à haute fréquence il peut se produire un effet de proximité entre les deux conducteurs, improprement confondu avec l'effet de peau, qui fait que le courant a tendance à circuler seulement sur les parties des conducteurs en vis-à-vis.
Cet effet s'ajoute à l'effet de peau proprement dit. Il est totalement dépendant de la géométrie de l'ensemble : section des conducteurs (circulaire, carrée, plate...), distance entre conducteurs, asymétrie des conducteurs (par exemple fil parallèle à un plan de masse), etc. L'effet de proximité est pratiquement négligeable sur des conducteurs espacés de plus de 20 cm.
Afin d'atténuer cet effet, il faut éloigner les conducteurs, mais cela a d'autres inconvénients, comme d'augmenter l'inductance.

Effet corona autour d'une bobine haute tension

L'effet corona, aussi appelé effet couronne est une décharge électrique entraînée par l'ionisation du milieu entourant un conducteur, elle se produit lorsque le potentiel électrique dépasse une valeur critique mais dont les conditions ne permettent pas la formation d'un arc. Cet effet est utilisé, entre autres, dans les lampes à plasma.
Au niveau macroscopique
Une décharge de corona se produit lorsqu'un courant, continu ou non, se crée entre deux électrodes portées à un haut potentiel et séparées par un fluide neutre, en général l'air, par ionisation de ce fluide. Un plasma est alors créé et les charges électriques se propagent en passant des ions aux molécules de gaz neutres.
Lorsque le champ électrique en un point du fluide est suffisamment grand, le fluide s'ionise autour de ce point et devient conducteur. En particulier, si un objet chargé possède des pointes ou des coins (ex: angle de 90 degrés), le champ électrique y sera plus important qu'ailleurs (c'est le pouvoir des pointes), c'est là en général, que se produira une décharge de corona : le phénomène tendra à se stabiliser de lui-même puisque la région ionisée devenant conductrice, la pointe aura apparemment tendance à disparaître. Les particules chargées se dissipent alors sous l'effet de la force électrique et se neutralisent au contact d'un objet de charge inverse. Les décharges de corona se produisent donc en général entre une électrode de rayon de courbure faible (un défaut du conducteur formant une pointe par exemple) tel que le champ électrique à ses environs soit suffisamment important pour permettre la formation d'un plasma, et une autre de rayon de courbure important (une plaque métallique ou la terre).
Une décharge de corona peut être positive ou négative selon la polarité de l'électrode de faible rayon de courbure. Si elle est positive, on parle de corona positif, sinon, de corona négatif. Du fait de la différence de masse entre les électrons (négatifs) et les ions (positifs), la physique de ces deux types de corona est radicalement différente. Par exemple, une décharge de corona produit de l'ozone (transforme le dioxygène O2 de l'air en ozone O3) quelle que soit sa polarité, mais un corona négatif en produit beaucoup plus qu'un corona positif.
Si la géométrie du conducteur et la valeur du champ sont telles que la région ionisée s'étend au lieu de se stabiliser, le courant peut finir par trouver un chemin jusqu’à l'électrode inverse, il se forme alors des étincelles ou un arc électrique.
Au niveau microscopique
Les décharges de corona, qu'elles soient positives ou négatives ont des mécanismes en commun :
Détail
Un atome ou une molécule neutre du fluide environnant l'électrode est ionisé par un événement extérieur (par exemple par interaction avec un photon), un ion positif et un électron sont libérés.
Ces deux particules étant de charges inverses, le champ électrique crée sur chacune d'elles une force électrique égale en norme mais de sens opposé et les sépare, empêchant leur recombinaison et leur apportant une énergie cinétique importante. Ceci initie le phénomène de claquage.
L'électron étant de masse beaucoup plus faible que l'ion, il est fortement accéléré, et entre en collision inélastique avec des atomes neutres, ce qui tend à créer de nouvelles paires électrons / ions positifs, qui suivront le même processus. On parle d'effet d'avalanche.
Des ions ainsi créés sont attirés par la seconde électrode et permettent ainsi l'établissement d'un courant.
Propriétés électriques
La tension nécessaire pour démarrer un effet couronne (en anglais : corona inception voltage, CIV) peut être calculée avec la loi de Peek (1929), formulée à partir de données empiriques. Des articles subséquents fournissent des formules plus précises.
Le courant entraîné par une décharge de corona peut se déterminer en intégrant la densité de courant à la surface du conducteur. La puissance dissipée est le produit de ce courant et de la tension entre les deux électrodes.
Applications des décharges de corona
Les décharges de corona ont de nombreuses applications commerciales et industrielles.
Détail
Production d'ozone
Filtrage des particules contenues dans l'air (système d'air climatisé)
Destruction de particules organiques contenues dans l'atmosphère : pesticide, solvant,
Traitement de surface de certains polymères
Photocopieur
Laser à azote
Séparation électrostatique de matières conductrices et non-conductrices
Refroidissement de composants électroniques (la migration des particules ionisées génère un flux qui expulse l'air chaud)
Problèmes liés aux décharges de corona
Les décharges de corona peuvent produire des bruits audibles et des perturbations sur les fréquences radio, en particulier à proximité des lignes à haute tension. Elles représentent également une perte de puissance. Enfin, les réactions qu'elles provoquent dans l'atmosphère pourraient avoir un impact sur la santé. C'est pourquoi les installations de transmission électrique sont conçues pour minimiser la formation des décharges de corona.
Les décharges de corona sont particulièrement à éviter dans :
Détail
les installations de transmission électrique où elles provoquent une perte d'énergie et du bruit
la plupart des équipements électriques : transformateurs, machines électriques (aussi bien générateurs que moteurs), etc. où elles endommagent progressivement les isolants amenant à une détérioration prématurée des équipements
toutes les situations nécessitant une tension importante mais où la production d'ozone doit être minimale.
Réduction de l'effet corona sur les lignes électriques
La réduction de l'effet corona sur les lignes à haute tension par des mesures spécifiques n'est en général nécessaire que quand le niveau de tension de la ligne dépasse 345 kV. Au-delà de la réduction des nuisances aux populations, le coût économique des pertes en ligne par effet corona peut justifier à lui seul de prendre des mesures correctives. Ces mesures sont de 2 types :
Détail
utilisation de conducteurs de gros diamètre, pour limiter le champ électrique à la surface. Cette mesure est souvent inefficace, et rarement économiquement justifiée, car l'effet de peau rend souvent inefficace le choix de conducteurs de grosse section.
utilisation de faisceau de conducteurs (typiquement 2 conducteurs ou plus en 400 kV, 3 conducteurs ou plus en 500 kV) qui en plus de leur intérêt d'un point de vue thermique permettent de diminuer le champ superficiel sur les conducteurs.
Le choix du nombre de conducteurs d'une ligne électrique se fait donc en fonction du courant à transiter, des conditions climatiques, des effets de peau et corona, et bien sûr des aspects économiques. Un critère simple permettant de limiter l'effet corona sur les lignes électriques consiste à s'assurer que le champ superficiel sur le conducteur ne dépasse pas une valeur de l'ordre de 17 kV / cm.
Réduction de l'effet corona dans les postes électriques
Dans les postes électriques haute tension, les considérations précédentes sur les lignes restent valables. On a toutefois la possibilité d'utiliser pour les jeux de barres des conducteurs tubulaires de rayon extérieur important (80 à 220 mm) qui ont un champ surfacique faible. L'aspect de perturbations sur les fréquences radio devient critique, en raison de la présence éventuelle d'équipements électroniques sensibles. Les appareils HTB (sectionneur,disjoncteur à haute-tension, parafoudre, ) doivent être conçus et testés pour limiter ces perturbations radio-électriques liées à l'effet corona : on utilise pour cela des pare-effluves avec de gros rayons de courbures pour limiter cet effet.
Haut de page