Effet pelliculaire
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L’effet pelliculaire (ou skin effect) est le phénomène par lequel le courant alternatif se concentre à la périphérie d’un conducteur, réduisant sa section effective et augmentant sa résistance apparente. La profondeur de pénétration — appelée épaisseur de peau — est δ = √(ρ / (π × f × µ)) : elle diminue quand la fréquence augmente.
Profondeurs de peau dans le cuivre selon la fréquence
| Fréquence | Profondeur de peau δ (cuivre) | Impact sur les câbles BT courants |
|---|---|---|
| 50 Hz (réseau) | 9,3 mm | Négligeable jusqu’à 35 mm² (rayon < δ) |
| 1 kHz (harmoniques 20e) | 2,1 mm | Commence à impacter les sections > 50 mm² |
| 10 kHz (alimentations à découpage) | 0,66 mm | Impact sur câbles de forte section et barres bus |
| 100 kHz (RF, filtres CEM) | 0,21 mm | Résistance apparente multipliée par 5 à 10 vs DC |
| 1 MHz | 0,066 mm | Câbles coaxiaux, blindages — section effective < 10 % du conducteur plein |
Impact en installation basse tension résidentielle
Pour les sections standard de la NF C 15-100 (1,5 mm², 2,5 mm², 6 mm², 10 mm²), le rayon du conducteur cuivre est inférieur à 2 mm, soit bien en deçà de l’épaisseur de peau à 50 Hz (9,3 mm). L’effet pelliculaire est donc pratiquement inexistant en électricité résidentielle et tertiaire standard : les tables de courant admissible des câbles ne nécessitent aucun coefficient de correction pour cet effet à 50 Hz.
La situation change pour les jeux de barres de forte section (100 mm², 185 mm², 240 mm²) utilisés en tête de tableau général ou en distribution industrielle. Un conducteur cylindrique de 240 mm² (rayon 8,7 mm) voit une fraction significative de sa section inefficacement utilisée à 50 Hz. Les constructeurs de tableaux utilisent alors des barres creuses ou des câbles multibrins fins (torons de fils de 0,5 à 1 mm de diamètre) pour maximiser la section traversée par le courant.
Effet pelliculaire et variateurs de fréquence
Les variateurs de fréquence génèrent des harmoniques jusqu’au rang 50 (2 500 Hz) et des fronts de commutation à 10-50 kHz. Sur les câbles reliant le variateur au moteur, ces hautes fréquences augmentent la résistance effective du câble et créent des courants induits dans les blindages. C’est pourquoi les câbles moteur pour variateurs sont conçus avec un blindage tressé symétrique à faible impédance HF et des torons fins, raccordé à la terre aux deux extrémités dans la GTL.
Questions fréquentes
- Pourquoi utilise-t-on des câbles multibrins plutôt qu’un conducteur solide en haute fréquence ?
- Un câble multibrin (Litz wire) est composé de nombreux fils fins, chacun d’un diamètre inférieur à 2δ à la fréquence de travail. Chaque fil exploite toute sa section, et l’ensemble présente une résistance bien inférieure à un conducteur massif de même section globale. Cette technique est utilisée dans les bobines de transformateurs à découpage, les inductances de filtres LLC et les câbles d’antenne HF.
- L’effet pelliculaire concerne-t-il aussi l’aluminium ?
- Oui. La résistivité de l’aluminium (2,82 × 10–8 Ω·m) est 1,64 fois celle du cuivre, sa perméabilité est identique. L’épaisseur de peau à 50 Hz dans l’aluminium est d’environ 12 mm — légèrement supérieure à celle du cuivre. L’effet pelliculaire est donc encore moins pénalisant à 50 Hz sur les câbles alu courants, mais reste à prendre en compte sur les barres de forte section en armoires HTA/BT.
- Comment mesure-t-on l’effet pelliculaire en pratique ?
- On mesure la résistance du conducteur en courant continu (résistance DC) puis en alternatif à la fréquence de travail (résistance AC). Le rapport Rac/Rdc > 1 quantifie l’effet pelliculaire. Pour un câble 240 mm² Cu à 50 Hz, ce rapport est typiquement de 1,02 à 1,05 — soit 2 à 5 % de résistance supplémentaire, non négligeable pour des jeux de barres transportant plusieurs centaines d’ampères en continu.
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