趨膚效應

趨膚效應

當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分布不均勻,電流集中在導體的“皮膚”部分,也就是說電流集中在導體外表的薄層,越靠近導體表面,電流密度越大,導線內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加,使它的損耗功率也增加。這一現象稱為趨膚效應(skin effect)。

基本定義

趨膚效應趨膚效應

skin effect

在計算導線的電阻和電感時,假設電流是均勻分布於他的截面上。嚴格說來,這一假設僅在導體內的電流變化率(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。但只要電流變化率很小,電流分布仍可認為是均勻的。對於工作於低頻的細導線,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,不均勻分布的狀態甚為嚴重。高頻電流在導線中產生的磁場在導線的中心區域感應出最大的電動勢。由於感應的電動勢在閉合電路中產生感應電流,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,它迫使電流只限於靠近導線外表面處。這樣,趨膚效應應使導線型傳輸線在高頻(微波)時效率很低,因為信號沿它傳送時,衰減很大。對金屬零件進行高頻表面淬火,是趨膚效應在工業中套用的實例。

趨膚效應趨膚效應

趨膚效應 亦稱為“集膚效應”。交變電流(alternating electric current, AC)通過導體時,由於感應作用引起導體截面上電流分布不均勻,愈近導體表面電流密度越大。這種現象稱“趨膚效應”。趨膚效應使導體的有效電阻增加。頻率越高,趨膚效應越顯著。當頻率很高的電流通過導線時,可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過,這等效於導線的截面減小,電阻增大。既然導線的中心部分幾乎沒有電流通過,就可以把這中心部分除去以節約材料。因此,在高頻電路中可以採用空心導線代替實心導線。此外,為了削弱趨膚效應,在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導線編織成束來代替同樣截面積的粗導線,這種多股線束稱為辮線。在工業套用方面,利用趨膚效應可以對金屬進行表面淬火。

交變磁場會在導體內部引起渦流,電流在導體橫截面上的分布不再是均勻的,這時,電流將主要地集中到導體表面。這種效應稱為趨膚效應。電流的頻率愈高,趨膚效應越明顯。

利用趨膚效應,在高頻電路中可用空心銅導線代替實心銅導線以節約銅材。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,但是並不影響輸電性能,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,而內部卻有一定柔性,防止鋼件脆裂。

實驗

實驗器材

趨膚效應演示儀,小燈泡兩隻(6-8伏。0.5安)。

實驗原理

在直流電路中,均勻導體橫截面上的電流密度是均勻的。但當交流電流通過導體時,隨著頻率的增加,在導體橫截面上的電流分布越來越嚮導體表面集中,所以,接在導體表皮上的小燈泡比接在導體中間的小燈泡要亮的多,這種現象就叫做趨膚效應。

操作與現象

趨膚效應趨膚效應

1.先將高低頻率開關打到

低頻檔。

2.接通電源,看到此時支架上的兩個小指示燈一樣亮。

3.再將高低頻率開關打到高頻檔,注意觀察此時支架上的兩個小燈泡亮度明顯不同。這現象即顯示高頻電路導體中間與表面電流密度分布不一樣。

4.實驗後,關閉電源。

注意事項

實驗結束後,注意把高低頻率開關打到低頻檔上。

校正

skin effect correction

又稱傳播效應校正,是感應測井中為消除趨膚效應而進行的一種校正。感應測井發射線圈在岩層中感應出的渦流強度和岩層的導電性有關。當岩層的電導率很高時,由於渦流之間的相互影響,使得感應測井儀記錄的電導率信號大大減弱。這個現象稱為趨膚效應。幾何因子理論是在忽略趨膚效應影響的條件下建立起來的。為此根據幾何因子理論解釋感應測井曲線時,要進行趨膚效應校正。

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