2022-05-14 22:05:01

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集肤效应又叫趋肤效应,当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。

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基本信息

  • 中文名

    趋肤效应

  • 外文名

    skin effect

  • 别名

    集肤效应

  • 领域

    物理学

  • 概念

    电流集中在导线外表薄层的现象

  • 结果

    导线的电阻变大,损耗功率增加

折叠 编辑本段 基本定义

skin effect

在计算导线的电阻和电感时,假设电流是均匀分布于他的截面上。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。但只要电流变化率很小,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。这样,趋肤效应应使导线型传输线在高频(微波)时效率很低,因为信号沿它传送时,衰减很大。对金属零件进行高频表面淬火,是趋肤效应在工业中应用的实例。

趋肤效应 亦称为“集肤效应”。交变电流(alternating electric current, AC)通过导体时,由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀,愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高,趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时,可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过,这等效于导线的截面减小,电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过,就可以把这中心部分除去以节约材料。因此,在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外,为了削弱趋肤效应,在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线,这种多股线束称为辫线。在工业应用方面,利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。

交变磁场会在导体内部引起涡流,电流在导体横截面上的分布不再是均匀的,这时,电流将主要地集中到导体表面。这种效应称为趋肤效应。电流的频率愈高,趋肤效应越明显。

利用趋肤效应,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。

折叠 编辑本段 主要解析

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e-1倍的深度称为交变电磁场对导体的透入深度。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。

金属零件进行高频表面淬火,是趋肤效应在工业中应用的实例。

折叠 编辑本段 效应校正

skin effect correction

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。    

折叠 编辑本段 效应实验

折叠 实验目的

演示趋肤效应现象。

折叠 实验器材

趋肤效应演示仪,小灯泡两只(6-8伏。0.5安)。

折叠 实验原理

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。

折叠 实验操作与现象

1.先将高低频率开关打到低频档。

2.接通电源,看到此时支架上的两个小指示灯一样亮。

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。

4.实验后,关闭电源。

折叠 注意事项

实验结束后,注意把高低频率开关打到低频档上。

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