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趋肤效应

作者:威廉亚洲 发布时间:2020-08-02 15:43 点击数:

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  当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。

  在计算导线的电阻和电感时,假设电流是均匀分布于它的截面上。严格说来,这一假设仅在导体内的电流变化率(di/dt)为零时才成立。另一种说法是,导线通过直流(dc)时,能保证电流密度是均匀的。或者电流变化率很小,电流分布仍可认为是均匀的。对于工作于低频的细导线,这一论述仍然是可确信的。

  但在高频电路中,电流变化率非常大,不均匀分布的状态甚为严重。高频电流在导线中产生的磁场在导线的中心区域感应出最大的电动势。由于感应的电动势在闭合电路中产生感应电流,在导线中心的感应电流最大。因为感应电流总是在减小原来电流的方向,它迫使电流只限于靠近导线外表面处。效应产生的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场,与原来的电流相抵消。

  趋肤效应最早在1883年贺拉斯·兰姆的一份论文中提及,只限于球壳状的导体。1885年,奥利弗·赫维赛德将其推广到任何形状的导体。趋肤效应使得导体的电阻随着交流电的频率增加而增加,并导致导线传输电流时效率减低,耗费金属资源。在无线电频率的设计、微波线路和电力传输系统方面都要考虑到趋肤效应的影响。

  在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些,但是并不影响输电性能,又可增大输电线的抗拉强度。利用趋肤效应还可对金属表面淬火,使某些钢件表皮坚硬、耐磨,而内部却有一定柔性,防止钢件脆裂。

  导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。在直长导体的截面上,恒定的电流是均匀分布的。对于交变电流,导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。以圆形截面的导体为例,愈靠近导体中心处,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大;愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响,因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加,趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小,从而使其有效电阻变大。

  趋肤效应还可用电磁波向导体中透入的过程加以说明。电磁波向导体内部透入时,因为能量损失而逐渐衰减。当波幅衰减为表面波幅的

  倍的深度称为交变电磁场导体的透入深度。以平面电磁波对半无限大导体的透入为例,透入深度为

  方程式中ω为角频率,γ为导体的电导率,μ为磁导率。可见透入深度的大小与这三个量成反比。电磁波在导体中的波长为2z0,趋肤效应是否显著也可以由导体尺寸与其中电磁波波长的比较来判断。如果导体的厚度较导体中这一波长大,趋肤效应就显著。

  在直流电路中,均匀导体横截面上的电流密度是均匀的。但当交流电流通过导体时,随着频率的增加,在导体横截面上的电流分布越来越向导体表面集中,所以,接在导体表皮上的小灯泡比接在导体中间的小灯泡要亮的多,这种现象就叫做趋肤效应。

  3.再将高低频率开关打到高频档,注意观察此时支架上的两个小灯泡亮度明显不同。这现象即显示高频电路导体中间与表面电流密度分布不一样。

  又称传播效应校正,是感应测井中为消除趋肤效应而进行的一种校正。感应测井发射线圈在岩层中感应出的涡流强度和岩层的导电性有关。当岩层的电导率很高时,由于涡流之间的相互影响,使得感应测井仪记录的电导率信号大大减弱。这个现象称为趋肤效应。几何因子理论是在忽略趋肤效应影响的条件下建立起来的。为此根据几何因子理论解释感应测井曲线时,要进行趋肤效应校正。

  当导线通过交流电时,因导线的内部和边缘部分所交链的磁通量不同,致使导线表面上的电流产生不均匀分布,相当于导线有效截面减少,这种现象称为趋肤效应。

  开关变压器工作频率一般在20kHz以上,随着元器件的改善,工作频率的提高,趋肤效应影响越大。因此,在设计绕组选择电流密度和线径时必须考虑趋肤效应引起的有效截面的减小。

  导线通有高频交变电流时,有效截面的减少可以用穿透深度来表示。穿透深度的意义是:由于趋肤效应,交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度,计算公式为


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