集肤效应
集肤效应(又称趋肤效应或直译作表皮效应,英语:Skin effect)是指导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀的一种现象。随着与导体表面的距离逐渐增加,导体内的电流密度呈指数递减,即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横切面来看,导体的中心部分几乎没有电流流过,只在导体边缘的部分会有电流。简单而言就是电流集中在导体的“皮肤”部分,所以称为集肤效应。产生这种效应的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场,与原来的电流相抵消。
简介
趋肤效应最早在英国应用数学家贺拉斯·兰姆(Horace Lamb)1883年发表的一份论文中提及,只限于球壳状的导体。1885年,英国物理学家奥利弗·赫维赛德(Oliver Heaviside)将其推广到任何形状的导体。趋肤效应使得导体的电阻随着交流电的频率增加而增加,并导致导线传输电流时效率减低,耗费金属资源。在无线电频率的设计、微波线路和电力传输系统方面都要考虑到趋肤效应的影响。
理论
当单色平面电磁波从真空垂直射入表面为平面的无限大导体中时,随着与导体表面的距离逐渐增加,导体内的电流密度J呈指数递减
其中,是导体表面的电流密度,
表示电流与导体表面的距离,
是一个和导体的电阻率以及交流电的频率有关的系数,称为趋肤深度。
其中:
ρ =导体的电阻率
ω = 交流电的角频率 = 2π ×频率
μ = 导体的绝对磁导率 = ,其中
是真空磁导率,
是导体的相对磁导率
对于很长的圆柱形导体,比如导线来说,如果它的直径比
大很多的话,它对于交流电的电阻将会相当于一个中空的厚度为
的圆柱导体对直流电的电阻。
其中:
L=导线的长度
D=导线直径
具体来说,假设是从离导线中心r处到导线表面的截面上通过的电流,
为截面上的总电流,那么有:
其中Ber和Bei为0阶的开尔文-贝塞尔函数的相应原函数(具体见下)。