1趨膚效應(yīng)的影響

在長(zhǎng)直導(dǎo)體的截面上，恒定的電流是均勻分布的。對(duì)于交變電流，導(dǎo)體中出現(xiàn)自感電動(dòng)勢(shì)抵抗電流的通過(guò)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于導(dǎo)體單位時(shí)間所切割的磁通量。以圓形截面的導(dǎo)體為例，愈靠近導(dǎo)體中心處，受到外面磁力線產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)愈大；愈靠近表面處則不受其內(nèi)部磁力線消長(zhǎng)的影響，因而自感電動(dòng)勢(shì)較小。這就導(dǎo)致趨近導(dǎo)體表面處電流密度較大。由于自感電動(dòng)勢(shì)隨著頻率的提高而增加，趨膚效應(yīng)亦隨著頻率提高而更為顯著。當(dāng)頻率很高的電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過(guò)，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大，大大降低了導(dǎo)體材料的有效利用率。

2定義

當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際上沒(méi)有任何電流，電流集中在臨近導(dǎo)體外表的一薄層 ，這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)（也稱集膚效應(yīng)）。

3趨膚效益具體解析

導(dǎo)線通過(guò)直流（dc）時(shí)，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(rèn)為是均勻的。對(duì)于工作于低頻的細(xì)導(dǎo)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(tài)甚為嚴(yán)重。高頻電流在導(dǎo)線中產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導(dǎo)線的中心區(qū)域產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)在閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，在導(dǎo)線中心的感應(yīng)電流最大。因?yàn)楦袘?yīng)電流總是在減小原來(lái)電流的方向，它迫使電流只限于靠近導(dǎo)線外表面處。這樣，趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線型傳輸線在高頻（微波）時(shí)效率很低，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)沿它傳送時(shí)，衰減很大。

如圖所示，當(dāng)導(dǎo)體通過(guò)高頻電流i時(shí)，變化的電流就要在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)（圖中1-2-3和4-5-6）垂直于電流方向。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，高頻磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向的兩個(gè)平面L和N產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感應(yīng)電勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生的渦流（a-b-c-a和d-e-f-d）阻止磁通的變化?？梢钥吹綔u流的a-b和e-f邊與主電流O-A方向一致，而b-c邊和d-e邊與O-A相反。這樣的主電流和渦流之和在導(dǎo)體表面加強(qiáng)，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨向于導(dǎo)體表面。

4趨膚深度

由趨膚效應(yīng)，我們不難聯(lián)想到另一概念—趨膚深度。工程上定義從導(dǎo)體表面到電流密度下降到導(dǎo)體表面電流密度的0.368（即1/e）的厚度為趨膚深度或穿透深度△，即認(rèn)為導(dǎo)體表面下深度為△的厚度導(dǎo)體流過(guò)導(dǎo)線的全部電流，而在△層以外的導(dǎo)體完全不流過(guò)電流（在不規(guī)則導(dǎo)體中，考慮趨膚深度以最窄邊為準(zhǔn)）?！髋c頻率f（w）和導(dǎo)線物理性能的關(guān)系為：

式中，μ——導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率；

γ=1/ρ-材料的電導(dǎo)率；

Κ——材料電導(dǎo)率（或電阻率）溫度系數(shù)；

對(duì)于銅μ=μ0=4π×10-7H/m; 20℃時(shí)ρ=0.01724×10-6 Ω/m，電阻率溫度系數(shù)為1/234.5（1/℃），Κ=（1+（T-20）/234.5）。

T-導(dǎo)線溫度（℃）。銅導(dǎo)線溫度20℃、不同頻率下的穿透深度：

一般磁性元件的線圈溫度高于20℃。在導(dǎo)線溫度100℃時(shí)，ρ100=2.3×10-6 Ω/cm，穿透深度：

5降低趨膚效應(yīng)的方法

由于電流趨膚效應(yīng)的存在，使得導(dǎo)線的有效載流面積減小，導(dǎo)線對(duì)交流電流的電阻大于導(dǎo)線的電阻（這里所說(shuō)的導(dǎo)線的電阻即為導(dǎo)線對(duì)直流電流的電阻）；只有導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)面積和導(dǎo)線本身的截面相等時(shí)，導(dǎo)線的交流電阻最小，此時(shí)有：

Sf =S

Rac =Rdc

式中，Sf—— 交流趨膚效應(yīng)面積；

S—— 導(dǎo)線截面面積；

Rdc—— 導(dǎo)線的直流電阻 ；

Rac——導(dǎo)線的交流電阻。

因此，減低趨膚效應(yīng)電阻的最直接的方法，就是改變導(dǎo)線截面的形狀，盡量使趨膚效應(yīng)面積和導(dǎo)線截面面積相同。

1.用多股細(xì)線并聯(lián)代替單根導(dǎo)線來(lái)減低趨膚效應(yīng)的影響：

對(duì)于直徑為D的圓銅導(dǎo)線，如果傳送電流的頻率為 f （Hz），保持交流載流密度Jf 和直流載流密度J 相當(dāng)，最佳降低趨膚效應(yīng)電阻的方法是用多股細(xì)線替換，使

Sf=S，每股細(xì)線的直徑為：

細(xì)線的股數(shù)為：

2.用帶狀導(dǎo)線來(lái)減低趨膚效應(yīng)的影響：

在大電流時(shí)經(jīng)常使用扁銅線，在可能的情況下，可以將導(dǎo)線的厚度減小，寬度增加，使其變成帶狀，只要合理的確定帶狀線的厚度和寬度，就可以使其高頻趨膚效應(yīng)的影響最小。

根據(jù)扁線最佳高度a = 2 x d 的原則，帶狀銅線的最佳厚度為：

寬度則由要求的電流密度確定。

對(duì)于厚度為 a 的帶狀線，如果傳送電流的頻率為 f （Hz），保持交流載流密度Jf 和直流載流密度J 相當(dāng)，得到最佳減低趨膚效應(yīng)電阻的帶狀寬度W是：

3.利用管和泊減低趨膚效應(yīng)的影響：

在頻率很高時(shí)（至少大于1KHZ），趨膚效應(yīng)深度也很小，電流基本集中在導(dǎo)體的表面，內(nèi)部的導(dǎo)體部分基本上沒(méi)有電流，將這部分導(dǎo)體去除變成管后，可以大大減輕導(dǎo)體的重量，而對(duì)電流的傳送又沒(méi)有影響。同樣，在很高的頻率時(shí)，也可以將帶狀線壓成泊狀，既保證其對(duì)電流的傳送，又可減輕其重量。例如，高頻大功率的傳輸線和高頻天線的振子就可以使用銅管或鋁管來(lái)制作，如果在銅管或鋁管的表面加鍍一層高導(dǎo)電的金屬膜（銀或金），效果就會(huì)更好；高頻傳輸線或天線，也可以用在不導(dǎo)電的管或棒形胎表面敷（或鍍）導(dǎo)電金屬泊（膜）來(lái)制作，即節(jié)省昂貴的金屬材料，又保證了導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度。

6結(jié)語(yǔ)

電子設(shè)備的體積越來(lái)越小型化，因此電源的工作頻率越來(lái)越高，為了提高導(dǎo)體材料的有效利用率，一方面使用高頻極低損耗的磁材，一方面可以用多股細(xì)線并聯(lián)代替單根導(dǎo)線使用減低高頻電流損耗的導(dǎo)體；器件上還可以選擇扁線來(lái)制作電感，比如目前已廣泛生產(chǎn)和使用的扁線濾波器。
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