El efecto de piel es un término general para referirse a la aparente tendencia de las corrientes CA que fluyen a lo largo del borde exterior, o piel, de un conductor en lugar de hacerlo en una forma distribuida uniformemente. ¿Qué ocurre realmente allí y cuándo hay que prestarle atención?
Las corrientes alternas y directas requieren la utilización de energía eléctrica para impulsar los electrones masivamente. En una situación de corriente directa, la energía aplicada es constante y los electrones sienten un empuje consistente hacia una dirección determinada. El campo magnético resultante es constante y la corriente puede fluir de manera uniforme a través de un conductor de cualquier forma, desde cables hasta barras de bus.
La corriente alterna se crea utilizando la energía eléctrica dinámica y el campo magnético resultante no es constante. Las clases de electromagnetismo tienden a cubrir cómo una corriente cambiante en un cable puede crear una corriente en un cable paralelo, pero este efecto también se produce dentro de los conductores individuales. Aunque todos los electrones deben sentir la misma fuerza en cualquier momento dado debido a la aplicación de la energía, el cambio de campos crea fuerzas opuestas y empezamos a ver corrientes de Foucault que cancelan partes del flujo de la corriente principal. Las corrientes de Foucault pueden visualizarse como un círculo neutro que comienza en el centro de la sección transversal de un conductor redondo. Anulan la corriente "positiva" que fluye en la dirección esperada, creando una zona de suma cero. El tamaño de este círculo es proporcional a la frecuencia de la energía aplicada y crece a medida que aumenta la frecuencia de la CA. A frecuencias bajas, es casi inexistente y no afecta la resistividad general del conductor. A medida que la frecuencia aumenta, esta zona muerta crece y "empuja" la corriente positiva fuera de los bordes del conductor, aumentando la resistencia efectiva del conductor mediante la disminución de la superficie utilizable donde la corriente puede fluir. Esta área utilizable se denomina piel. La profundidad de la superficie utilizable, medida linealmente desde el borde exterior del conductor, se denomina profundidad de la piel. La profundidad de la piel de un conductor particular depende no solo de la frecuencia, sino que también de la resistividad y la permitividad del material del conductor.
La profundidad de la piel no es un límite absoluto, sino más bien una aproximación de dónde se producirá el 63 % de la densidad de la corriente. No hay ninguna línea dura dentro de un conductor que impida el flujo de la corriente positiva y una pequeña cantidad de corriente sigue fluyendo dentro de esta zona neutral.
Las matemáticas son divertidas, pero ¿cuándo necesita preocuparse de la misteriosa zona muerta en sus conductores? Si bien sería conveniente poder decir que no importa hasta que tenga que lidiar con gigahercios, la piel afecta a casi cualquier diseño de CA. A 60Hz en un cable de cobre, la profundidad de la piel es de 8.5 mm. Esto significa que incluso para ver el inicio de una zona neutral, el conductor tendría que tener al menos 17 mm de diámetro. Esto parece enorme cuando se trata de un cable de conexión, o incluso los cables estándar de calibre 12 a 14 de su casa, pero es un poco limitante cuando se intenta usar cables gigantes para mover kilovatios o incluso megavatios de energía de una planta de energía a hogares y empresas.
El aluminio se utiliza comúnmente en líneas de transmisión porque es mucho más ligero que el cobre y no es un mal conductor. El efecto de piel es más pronunciado en mejores conductores y la profundidad de la piel es proporcional a la raíz cuadrada de la resistividad del conductor, por lo que la profundidad de la piel es mayor de lo que sería en un cable de cobre que lleva la misma potencia. La raíz cuadrada de la ecuación evita que el aluminio se convierta en un "mejor" conductor que el cobre, pero esta ampliación de la profundidad de la piel refuerza los argumentos para el uso de aluminio en líneas de transmisión, ya que el metal es mucho más ligero y más barato.
A medida que la frecuencia aumenta, la profundidad de la piel disminuye más rápido de lo que se puede esperar y causa problemas incluso en diseños al nivel de placa. A 100 kHz (una frecuencia de conmutación del convertidor de alimentación común), la profundidad de la piel en el cobre es solo 0,2 mm. Si está usando un producto como el conmutador sin conexión NCP1060 de ON Semiconductor para convertir 220 VCA, es probable que esté utilizando 2 oz o incluso 4 oz de cobre en la PCB para administrar toda esa energía. La parte de alta frecuencia de la placa puede no aprovechar ese extra de cobre debido al efecto de piel, y el sistema puede comportarse de manera inesperada debido al aumento de la resistencia. Este efecto (entre otras razones) es el motivo de que los diseñadores de placas intenten mantener las rutas de alta frecuencia lo más cortas y directas posibles en los diseños conmutados.
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Afortunadamente, existen varias maneras de combatir este efecto en cada escala. La profundidad de la piel se aplica a cada conductor individual. Si utiliza varios conductores delgados en lugar de un conductor más grande, el efecto de piel no afecta a ninguno de los conductores delgados y su resistencia equivalente puede ser mucho menor. Esta es la razón por la cual el cable trenzado es tan común en aplicaciones de CA, incluso para aplicaciones de frecuencia relativamente baja como las líneas de alimentación. También se pueden colocar hebras de alambre alrededor de un núcleo robusto y ligero como el acero o incluso fibra de carbono para aumentar la estabilidad a través de largas distancias en aplicaciones de potencia alta. Rastros más amplios en una PCB permiten una mayor área de superficie y mantienen bajas las resistencias de los rastros. Estas simples consideraciones de diseño pueden anular el efecto de piel en la mayoría de diseños de alimentación, pero los diseños de RF que operan a cientos de megahercios o incluso gigahercios requieren una planificación cuidadosa y la pericia de ingenieros experimentados para funcionar correctamente. Normalmente se requieren cables de fibra óptica que usan un medio no-metal para transmitir datos, puesto que la profundidad de la piel de los conductores estándar sería opresivamente superficial.