交变电流通过导线时,电流在导线横截面上的分布是不均匀的,导体表面的电流密度大于中心的密度,且交变电流的频率越高,这种趋势越明显,该现象称为趋肤效应(skin effiect),趋肤效应也称集肤效应。
趋肤效应( skin effect),在“GB/T 2900.1-2008 电工术语 基本术语”中定义如下:
由于导体中交流电流的作用,靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。
注1:随着电流频率的提高,趋肤效应使导体的电阻增大,电感减小;
注2:在更一般的情况下,任何随时间变化的电流都产生趋肤效应。
No.1 趋肤效应原理
趋肤效应实际上是涡流的体现,涡流是电磁感应的一种体现方式,但是,某些文献简单的认为,由于电流流过导体时,导体中心处的磁感应强度大,因电磁感应产生的感应电动势大,根据楞次定理,感应电动势将阻碍电流的变化,这种说法是错误的。
以截面为圆形的长直导线为例,其磁场分布如下图1所示。
图1、截面积为圆形的长直导线内部磁场分布图
根据安培环路定理,磁场强度H沿闭合回路的线积分等于闭合回路包含的电流的代数和,与闭合回路之外的电流无关。均匀材质的导体中,磁感应强度B与磁场强度成正比,选闭合回路为图中所述的各条磁力线,可知,越靠近导体中心,磁力线包围的电流越小,在导体轴线上,磁感应强度为零。
实际上,趋肤效应是涡流效应的结果,如图2所示:
图2、涡流与趋肤效应
如图,电流I流过导体,在I的垂直平面形成交变磁场,交变磁场在导体内部产生感应电动势,感应电动势在导体内部形成涡流电流i,涡流i的方向在导体内部总与电流I的变化趋势相反,阻碍I变化,涡流i的方向在导体表面总与I的变化趋势相同,加强I变化。在导体内部,等效电阻变大,而导体表面的等效电阻变小,交变电流趋于在导体表面流动,形成趋肤效应。
趋肤效应使导线通过交变电流的有效截面积减小了,导线的电阻增大了。
趋肤效应下导体的等效电阻变化了,这个等效电阻,称为交流电阻,交流电阻与电流的频率有关,频率越高,交流电阻越大。
No.2 趋肤深度
定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368(即1/e)的厚度为趋肤深度或穿透深度
可见趋肤深度与频率的开方成反比,与电阻率的开方成正比。下表是20℃时铜的的趋肤深度表。
通过程序计算,我们可得铜的趋肤深度与频率的关系曲线。当频率F=2600MHz时,对应的趋肤深度为1.287um
No.3 趋肤效应的不利影响
传输交流电流时,由于趋肤效应的影响,导致导线的等效电阻增加,损耗增大。
1、趋肤效应对于高频电流的传输影响甚大。对于传输高频电流的导线,通常采用下述方法改善其传输性能:
a、既然趋肤效应使电流趋于表面流动,那么,相同截面积的导线,表面积越大,等效电阻越小,因此,利用互相绝缘的多根细导线代替单根实心导线,可以改善降低导线的交流电阻。
b、既然趋肤效应使电流趋于表面流动,那么,将其表面镀银或镀金,降低表面电阻,可以改善导线的交流电阻。
c、既然趋肤效应使电流趋于表面流动,那么,将其制作成空心导线,其导电效果与实心导线基本相当,但是,可以节省材料。
2、对传输工频大电流不利
为了传输更大的电流,对于大电流传输,通常导体截面积较大,远离表面的中心处,电流密度还是会明显减小,因此,传输交流大电流的导体,通常制作成截面积为长方形,而不是圆形或正方形,并且,一般不能太厚,对于50Hz的工频交流电,导体为铜,其趋肤深度约8mm,这样,对于厚度大于16mm的铜排,其中心层电流密度已经非常小了,因此,用于传输工频电流的铜排的厚度一般小于12mm。
No.4 趋肤效应的应用
电流流过导体,产生热量,趋肤效应使电流趋于表面流动的特性,可应用于金属表面热处理,通常称表面淬火。表面淬火的过程如下:
在一个感应线圈中通以高频交流电,线圈内部会产生频率相同的高频交变磁场,或将金属导体置于交变磁场中,只要交变磁场足够大,频率足够高,趋肤效应将导致导体表面温度迅速上升至淬火温度,之后迅速冷却金属导体,可使表面硬度增大。而导体内部的温度还远低于淬火温度,在迅速冷却后仍保持韧性。
原文始发于微信公众号(射频学堂)