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，導體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)。

基本介紹

• 中文名：趨膚效應
• 外文名：skin effect
• 別名：集膚效應
• 領域：物理學
• 概念：電流集中在導線外表薄層的現象
• 結果：導線的電阻變大，損耗功率增加

定義

趨膚效應（skin effect）

趨膚效應

在計算導線的電阻和電感時，假設電流是均勻分布於它的截面上。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。或者電流變化率很小，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。效應產生的原因主要是變化的電磁場在導體內部產生了渦旋電場，與原來的電流相抵消。

歷史

趨膚效應最早在1883年賀拉斯·蘭姆的一份論文中提及，只限於球殼狀的導體。1885年，奧利弗·赫維賽德將其推廣到任何形狀的導體。趨膚效應使得導體的電阻隨著交流電的頻率增加而增加，並導致導線傳輸電流時效率減低，耗費金屬資源。在無線電頻率的設計、微波線路和電力傳輸系統方面都要考慮到趨膚效應的影響。

效應套用

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。

解析

導體中的交變電流在趨近導體表面處電流密度增大的效應。在直長導體的截面上，恆定的電流是均勻分布的。對於交變電流，導體中出現自感電動勢抵抗電流的通過。這個電動勢的大小正比於導體單位時間所切割的磁通量。以圓形截面的導體為例,愈靠近導體中心處,受到外面磁力線產生的自感電動勢愈大；愈靠近表面處則不受其內部磁力線消長的影響，因而自感電動勢較小。這就導致趨近導體表面處電流密度較大。由於自感電動勢隨著頻率的提高而增加，趨膚效應亦隨著頻率提高而更為顯著。趨膚效應使導體中通過電流時的有效截面積減小，從而使其有效電阻變大。

趨膚效應還可用電磁波嚮導體中透入的過程加以說明。電磁波嚮導體內部透入時，因為能量損失而逐漸衰減。當波幅衰減為表面波幅的倍的深度稱為交變電磁場對導體的透入深度。以平面電磁波對半無限大導體的透入為例，透入深度為方程式中ω為角頻率,γ為導體的電導率，μ為磁導率。可見透入深度的大小與這三個量成反比。電磁波在導體中的波長為2z0，趨膚效應是否顯著也可以由導體尺寸與其中電磁波波長的比較來判斷。如果導體的厚度較導體中這一波長大，趨膚效應就顯著。

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

1．先將高低頻率開關打到低頻檔。

趨膚效應

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。

計算

當導線通過交流電時，因導線的內部和邊緣部分所交鏈的磁通量不同，致使導線表面上的電流產生不均勻分布，相當於導線有效截面減少，這種現象稱為趨膚效應。

開關變壓器工作頻率一般在20kHz以上，隨著元器件的改善，工作頻率的提高，趨膚效應影響越大。因此，在設計繞組選擇電流密度和線徑時必須考慮趨膚效應引起的有效截面的減小。

導線通有高頻交變電流時，有效截面的減少可以用穿透深度來表示。穿透深度的意義是：由於趨膚效應，交變電流沿導線表面開始能達到的徑向深度，計算公式為

Δ——穿透深度（m）

ω——角頻率，ω=2πf（rad/s）

μ——磁導率（H/m）

γ——電導率（S/m）

當導線為銅線時，(S/m)，銅的相對磁導率，因此，式中即為真空磁導率H/m。