1、趋 肤 效 应 探 究一 .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
2、 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 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
3、 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 。二 .简 介趋 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
4、 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
5、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
6、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 。 趋 肤 效 应 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
7、 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
8、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
9、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 为 角 频 率 , 为 导 体 的 电 导 率 ， 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 。 对 金 属 零 件 进 行 高 频 表 面 淬 火 ， 是 趋 肤 效 应 在 工
10、 业 中 应 用 的 实 例 。 趋 肤 效 应 实 验实 验 目 的演 示 趋 肤 效 应 现 象 。 实 验 器 材趋 肤 效 应 演 示 仪 ， 小 灯 泡 两 只 （ 6-8 伏 。 0.5 安 ） 。 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
11、 的 多 ，这 种 现 象 就 叫 做 趋 肤 效 应 。 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 。 注 意 事 项实 验 结 束 后 ， 注 意 把 高 低 频 率
12、 开 关 打 到 低 频 档 上 。 趋 肤 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 。信 息 与 通 信 工 程 六 班张 天 娇
