當直流電流通過導(dǎo)線時,電流在導(dǎo)線截面上是均勻分布的。但當通過交流電特別是高頻交流電時,電流分布就不再是均勻的,而是越接近導(dǎo)線表面處電流密度越大,越靠近導(dǎo)線中心,則電流密度越小,這種現(xiàn)象稱為交流電流的趨膚效應(yīng)。
交流電流趨膚效應(yīng)的產(chǎn)生可以用下圖加以解釋。
上圖是一個放大的圓形導(dǎo)線截面,可以想象它是由許多截面相同的“細導(dǎo)線”扎在一起而組成。當交流電流通過導(dǎo)線時,由于對稱的關(guān)系,磁力線在導(dǎo)線內(nèi)外都是一些同心圓,如上圖中虛線所示。當磁通變化時,就要在各細導(dǎo)線中引起感應(yīng)電動勢。對于靠近導(dǎo)線中心的細導(dǎo)線(圖中A處)所有的磁力線都將與之環(huán)鏈,因而A處的感應(yīng)電動勢就大。這就相當于A處的電感大,感抗大。而對于導(dǎo)線邊緣的細導(dǎo)線(圖中B處),僅外部磁力線與之環(huán)鏈,內(nèi)部磁通則不與它環(huán)鏈,因此當磁通變化時,感應(yīng)電動勢就小,相當于B處的電感小、感抗小。這樣,靠近中心處感抗大,電流就小。越接近邊緣,感抗逐漸減小,電流密度也逐漸增大,形成了電流的趨膚效應(yīng)。
由于趨膚效應(yīng)的影響,高頻電流比較集中地分布在導(dǎo)線表面,而導(dǎo)線內(nèi)部電流密度較小。在頻率很高的情況下,導(dǎo)線中心幾乎沒有電流,這實際上等于減少了導(dǎo)線的有效截面,所以導(dǎo)線電阻增大了。這種現(xiàn)象隨著頻率的增高和導(dǎo)線截面的加大而更為顯著。因此導(dǎo)線對直流的電阻(歐姆電阻)和對交流的電阻(有效電阻)在數(shù)值上是有差別的。
在50Hz工頻電流情況下,銅導(dǎo)線的直徑若不超過1cm,有效電阻與歐姆電阻的比值為1.0017。這時由于趨膚效應(yīng)而增加的電阻很小,常常忽略不計。而在高頻電流情況下,有效電阻將成倍地增加。為了充分利用有色金屬,通過高頻電流的導(dǎo)線常做成管形。有時則將多股互相絕緣的導(dǎo)線緊密地絞合在一起,制成編織線使用。在長距離傳輸線上,如果傳輸?shù)?a target="_blank">信號頻率很高,這時由于趨膚效應(yīng)顯著,傳輸線損耗大大增加,因而對傳輸?shù)男盘栴l率有一定的限制。
交流電流的趨膚效應(yīng)也可以為人們所利用。工業(yè)上的高頻淬火以及金屬表面硬化處理等,就是應(yīng)用趨膚效應(yīng)的實際例子。
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