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趨膚效應

 鄧杏軍 2019-10-22
 

趨膚效應指當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內(nèi)部的電流分布不均勻,且電流集中在導體的“皮膚”部分的一種現(xiàn)象。導線內(nèi)部實際上電流變小,電流集中在導線外表的薄層。結(jié)果導線的電阻增加,使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(skineffect)。

中文名趨膚效應

外文名skin effect

別 名集膚效應

領(lǐng) 域物理學

概 念電流集中在導線外表薄層的現(xiàn)象

結(jié) 果導線的電阻變大,損耗功率增加

定理定義

趨膚效應(skineffect)

在計算導線的電阻和電感時,假設(shè)電流是均勻分布于他的截面上。嚴格說來,這一假設(shè)僅在導體內(nèi)的電流變化率(di/dt)為零時才成立。另一種說法是,導線通過直流(dc)時,能保證電流密度是均勻的。或者電流變化率很小,電流分布仍可認為是均勻的。對于工作于低頻的細導線,這一論述仍然是可確信的。

但在高頻電路中,電流變化率非常大,不均勻分布的狀態(tài)甚為嚴重。高頻電流在導線中產(chǎn)生的磁場在導線的中心區(qū)域感應出最大的電動勢。由于感應的電動勢在閉合電路中產(chǎn)生感應電流,在導線中心的感應電流最大。因為感應電流總是在減小原來電流的方向,它迫使電流只限于靠近導線外表面處。效應產(chǎn)生的原因主要是變化的電磁場在導體內(nèi)部產(chǎn)生了渦旋電場,與原來的電流相抵消。

趨膚效應簡介

趨膚效應最早在1883年賀拉斯·蘭姆的一份論文中提及,只限于球殼狀的導體。1885年,奧利弗·赫維賽德將其推廣到任何形狀的導體。趨膚效應使得導體的電阻隨著交流電的頻率增加而增加,并導致導線傳輸電流時效率減低,耗費金屬資源。在無線電頻率的設(shè)計、微波線路和電力傳輸系統(tǒng)方面都要考慮到趨膚效應的影響。

趨膚效應應用:在高頻電路中可用空心銅導線代替實心銅導線以節(jié)約銅材。架空輸電線中心部分改用抗拉強度大的鋼絲。雖然其電阻率大一些,但是并不影響輸電性能,又可增大輸電線的抗拉強度。利用趨膚效應還可對金屬表面淬火,使某些鋼件表皮堅硬、耐磨,而內(nèi)部卻有一定柔性,防止鋼件脆裂。

趨膚效應解析 

導體中的交變電流在趨近導體表面處電流密度增大的效應。在直長導體的截面上,恒定的電流是均勻分布的。對于交變電流,導體中出現(xiàn)自感電動勢抵抗電流的通過。這個電動勢的大小正比于導體單位時間所切割的磁通量。以圓形截面的導體為例,愈靠近導體中心處,受到外面磁力線產(chǎn)生的自感電動勢愈大;愈靠近表面處則不受其內(nèi)部磁力線消長的影響,因而自感電動勢較小。這就導致趨近導體表面處電流密度較大。由于自感電動勢隨著頻率的提高而增加,趨膚效應亦隨著頻率提高而更為顯著。趨膚效應使導體中通過電流時的有效截面積減小,從而使其有效電阻變大。

趨膚效應還可用電磁波向?qū)w中透入的過程加以說明。電磁波向?qū)w內(nèi)部透入時,因為能量損失而逐漸衰減。當波幅衰減為表面波幅的倍的深度稱為交變電磁場對導體的透入深度。以平面電磁波對半無限大導體的透入為例,透入深度為方程式中ω為角頻率,γ為導體的電導率,μ為磁導率。可見透入深度的大小與這三個量成反比。電磁波在導體中的波長為2z0,趨膚效應是否顯著也可以由導體尺寸與其中電磁波波長的比較來判斷。如果導體的厚度較導體中這一波長大,趨膚效應就顯著。

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