趨膚效應(yīng)概述

當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說(shuō)電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)（skin effect）。

在計(jì)算導(dǎo)線的電阻和電感時(shí)，假設(shè)電流是均勻分布于它的截面上。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這一假設(shè)僅在導(dǎo)體內(nèi)的電流變化率（di/dt）為零時(shí)才成立。另一種說(shuō)法是，導(dǎo)線通過(guò)直流（dc）時(shí)，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(rèn)為是均勻的。對(duì)于工作于低頻的細(xì)導(dǎo)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(yán)重。高頻電流在導(dǎo)線中產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導(dǎo)線的中心區(qū)域感應(yīng)出最大的電動(dòng)勢(shì)。由于感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)在閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，在導(dǎo)線中心的感應(yīng)電流最大。因?yàn)楦袘?yīng)電流總是在減小原來(lái)電流的方向，它迫使電流只限于靠近導(dǎo)線外表面處。效應(yīng)產(chǎn)生的原因主要是變化的電磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了渦旋電場(chǎng)，與原來(lái)的電流相抵消。

趨膚效應(yīng)的產(chǎn)生原因

趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因是因?yàn)?a href="http://m.1cnz.cn/tags/電磁感應(yīng)/" target="_blank">電磁感應(yīng)。

如上圖所示，這是一根導(dǎo)線，導(dǎo)線中的小圓表示電流。當(dāng)導(dǎo)線通電以后，電流會(huì)順著這根導(dǎo)線流動(dòng)，我們把電流路徑稱為“電流線”。為了便于理解，我暫時(shí)用兩根電流線來(lái)分析說(shuō)明。

如上圖所示：假設(shè)導(dǎo)線電流是從左向右流動(dòng)，那么電流線I1和I2的方向都從左向右。那么電流線I1產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是怎么樣呢？

根據(jù)右手螺旋定則，電流線I1上方的磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲猓ㄓ脠A點(diǎn)表示），下方的磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶铮ㄓ貌姹硎荆?/p>

由于交流電流是一直變化的，所以它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一直變化的。根據(jù)電磁感應(yīng)，電流線I1產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在I2導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙I2的電流變化。

越往導(dǎo)體中心電流線越密，它受到的磁場(chǎng)也就越強(qiáng)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越大，電流也就越小。

當(dāng)電流變化越快、頻率越高時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越多，所以趨膚效應(yīng)在高頻電路中很明顯。如果電流一直不變，那么就沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，也就不會(huì)有趨膚效應(yīng)，所以趨膚效應(yīng)只存在于交流電路。

趨膚效應(yīng)的應(yīng)用

1. 最常見(jiàn)的典范應(yīng)用就是室外電視天線，室外電視天線接收的無(wú)線電波頻率很高，一般達(dá)幾百M(fèi)HZ。這么高頻率的電流信號(hào)，它的趨膚效應(yīng)就非常明顯。為了降低材料成本、減輕重量、滿足趨膚效應(yīng)，所以電視室外天線一般都是采用空心鋁管制作而成。

2. 我們常用的電力電纜線有單股線和多股線，但是信號(hào)傳輸電纜線都是采用多股，這是因?yàn)樾盘?hào)電流頻率一般都比較高，趨膚效應(yīng)明顯，為了增加電線表面積、提高利電線用率，所以信號(hào)傳輸電纜線都是采用多股線。

注意：趨膚效應(yīng)并不是說(shuō)導(dǎo)體中心沒(méi)有電流。只是由于趨膚效應(yīng)的作用，導(dǎo)體表面電流最多，越往導(dǎo)體中心電流越小。

一般來(lái)說(shuō)在交流50HZ的頻率下，趨膚效應(yīng)的穿透深度大約為6mm。當(dāng)導(dǎo)線直徑大于12mm時(shí)，導(dǎo)體中心的電流幾乎為零。所以你可以觀察一下，低壓電柜里的矩形母線排（銅排）厚度都不超過(guò)10mm。
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