SKIN EFFECT
SKIN EFFECT
. Fenomeno d'incompleta penetrazione della corrente nell'interno dei conduttori elettrici, additato per la prima volta da sir William Thomson (più tardi lord Kelvin). In lingua italiana è stato infelicemente tradotto come "effetto pellicolare", quantunque non si tratti di pellicole, e con altre poco adatte denominazioni, o meglio come "effetto Thomson" o "effetto Kelvin", o "fenomeno di superficie".
Il fenomeno consiste in questo: quando un conduttore (per esempio cilindrico) è percorso longitudinalmente da una corrente rapidamente alternante, questa non si ripartisce uniformemente in tutta la sezione come farebbe una corrente continua, ma fluisce di preferenza negli strati superficiali del conduttore, mentre nell'interno la densità della corrente è minore. La disuniformità è tanto maggiore quanto più elevata è la frequenza e quanto più forte è il diametro dei conduttori, e nei conduttori di ferro il fenomeno è assai più accentuato che in quelli non magnetici. Al limite, quando la frequenza diviene indefinitamente grande, la corrente passa solo in superficie e la materia che sta nell'interno non contribuisce a condurre la corrente. Lo stesso avviene all'incirca per una corrente impulsiva (scarica di un fulmine). E in generale, quando una corrente è rapidamente variabile, le variazioni vengono risentite bene dagli strati superficiali del conduttore, mentre quelli interni sono sempre più inerti a seguirle. Nel caso della corrente alternante, o più in generale periodica, si fa luogo a definire la "resistenza effettiva" o "resistenza attiva" come quella quantità R che moltiplicata per il quadrato dell'intensità efficace della corrente, dà la potenza P dissipata in calore; in formula:
Questa R, per conseguenza dello skin effect, riesce maggiore della resistenza ohmica R0 misurata con le correnti continue; e ciò è naturale, quando si pensa al diminuito contributo dei filamenti interni del conduttore.
Il divario tra R ed R0 è piccolo in condizioni ordinarie e per le frequenze industriali, salvo che non si tratti di conduttori di grandissimo diametro (come quelli dei forni elettrici, destinati a portare migliaia di ampère) o di rotaie di ferro che portano la corrente di ritorno nella trazione a corrente alternante. Ma anche in fili di rame e di bronzo del diametro di alcuni millimetri, l'incremento di resistenza è ben percettibile per le correnti di frequenza telefonica. Al di là di alcune decine di migliaia di periodi al secondo, le conseguenze dello skin effect vengono risentite in misura praticamente importante. Con le correnti di radio esse conseguenze sono fortissime, e obbligano a fare assegnamento più sulla superficie che sul volume dei conduttori. Quando si arriva a frequenze di 100 mila periodi al secondo e oltre (correnti di Tesla, e simili), si è praticamente nelle condizioni in cui la corrente rimane localizzata alla superficie: e questo spiega perché le correnti di altissima frequenza non dànno le conseguenze della scossa elettrica anche quando sono a voltaggio elevato.
In tutti i casi ove occorre preoccuparsi dello skin effect, quindi nei circuiti a frequenza elevatissima, in quelli degli scaricafulmini, e simili, si deve cercare di ottenere la conduttanza aumentando la superficie esterna anziché la sezione del conduttore: quindi conduttori tubulari, striscie di rame, suddivisione del conduttore in molti fili.
Lo skin effect si spiega teoricamente dicendo che il campo magnetico prodotto dalla corrente rapidamente variabile produce forze elettromotrici indotte che si oppongono alle variazioni rapide della corrente nell'interno, e quindi ostacolano la corrente stessa se alternante. Oppure, in linguaggio più moderno e più espressivo, si può dire con Maxwell e con Lodge che l'energia convogliata dal circuito fluisce sempre in prevalenza all'esterno del conduttore, e che dall'esterno penetra attraverso la superficie e mette in moto quel meccanismo che si chiama corrente di conduzione; e quando la forza elettromotrice che cagiona la corrente è rapidamente alternante, le alterazioni non hanno tempo di penetrare nell'interno; cioè viene in giuoco un'inerzia che ostacola la penetrazione. Questa inerzia coincide in sostanza con ciò che in altro linguaggio si chiama campo magnetico; onde le due spiegazioni sono equivalenti.
Per calcolare l'aumento di resistenza dovuto allo skin effect nei conduttori esistono formule approssimate ed esatte, e tabelle: le formule più note, per i conduttori cilindrici, sono quelle date da lord Kelvin e da Heaviside.
Bibl.: A. Russell, The theory of alternating currents, I, Cambridge 1904; id., The theory of electric cables and networks, ivi 1908.