趋肤效应的理论解释_雷桂林
通电导线趋肤效应的原因_概述及解释说明
通电导线趋肤效应的原因概述及解释说明1. 引言1.1 概述通电导线趋肤效应是指当电流通过导线时，高频信号会更倾向于沿着导线表面传播，而不是整个导线截面上均匀分布。
这一现象广泛应用于无线通信、电力输送以及电路设计等领域，并对电流的传输和信号质量有着重要的影响。
1.2 文章结构本文将首先对通电导线趋肤效应进行定义与背景介绍。
然后，我们将深入探讨与该现象相关的电磁感应定律和高频信号与电流分布之间的关系。
接下来，我们将解释趋肤效应的物理原因，包括电流密度分布和电场分布之间的关系以及磁场对导线的影响。
最后，我们将讨论影响趋肤效应的因素，包括材料特性参数、导线几何形状以及频率等因素。
最后，在结论部分对文章要点进行总结，并探讨该现象在实际应用中的意义和展望。
1.3 目的本文旨在全面介绍通电导线趋肤效应的原因，并解释其物理机制。
通过对相关理论和实证研究的综合分析，我们将揭示趋肤效应在电流传输中的重要性，并探讨其在不同领域中的实际应用价值。
希望通过本文的阐述，读者能够更深入理解通电导线趋肤效应，并为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考和启发。
2. 通电导线趋肤效应的原因2.1 定义与背景通电导线趋肤效应是指在交流电流通过导体时，电流主要分布在导线的表面附近，几乎不通过导线的内部。
这种现象由于导体表面阻抗较低而导致了频率较高的电流主要集中在表面上。
该效应常出现在高频、大口径和良好导电性能的导线中。
2.2 电磁感应定律通电导线趋肤效应可以通过安培-麦克斯韦定律和法拉第定律来解释。
根据法拉第定律，变化的磁场会诱发闭合回路中产生感应电动势，进而引起感应电流。
因此，在交变电场或磁场下，导线表面会有感应电动势产生，并促使交变电流主要分布在表面附近。
2.3 高频信号与电流分布高频信号对趋肤效应具有明显影响。
随着信号频率的增加，射频干扰和能量损耗也会增加。
由于高频信号周期短暂且变化迅速，感应作用更强烈，导致电流主要分布在导线表面。
趋肤效应和集束效应
趋肤效应和集束效应2007-10-17 18:14在低频的情况下，导体内部的电流密度是均匀的，在中心流动的电流和边缘的电流密度是相同的。
但当频率逐步增加时，流动电荷会渐渐向边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。
与此类似的还有集束效应，现象是电流密集区域集中在导体的内侧，见下图：这两种现象不同之处在于前者与频率密切相关，而后者主要和导线中心距与直径的比值有关。
这里我们主要考虑趋肤效应，计算趋肤深度S（Skin Depth）的公式如下：S=这里P表示导体的电阻率，ω代表频率（单位：弧度/秒），μ代表圆周方向的磁率。
从公式可以看到，趋肤深度和频率的平方根成反比。
由于趋肤效应引发的关键问题是导体电阻的增加，传输线的总电阻为：（Δ）其中R DC是直流电阻，它不随频率的变化而变化，R AC(f)是指交流电阻，它的大小为：D是指导体的直径，f指频率，pr是指以1盎司沉铜为基准的相对电阻率。
Δ方程表现出来的物理意义为：当低频的时候，不考虑交流电阻，所以导体的电阻是恒定的，随着频率的增加，当达到一定的频率时，总的电阻开始正比于频率的平方根，这个临界频率就是在趋肤效应出现的时候，也就是当趋肤深度小于等于导体厚度的时候，对于圆形的导体，临界状态是趋肤深度等于导体的半径，对于PCB板上的微带线来说是趋肤深度等于导体厚度的一半。
从实际情况看，对于通常的1盎司沉铜，5MIL线宽的PCB板来说，当频率达到14MHZ就会产生趋肤效应。
那么，趋肤效应在实际的布局布线中有什么具体影响呢？对于较短的传输线，我们把它当作是理想的，可以不考虑传输过程中的耗损，但实际电路中，尤其是长距离传输的电路，就不能不考虑传输线电阻存在而导致的额外耗损。
一般认为，传输线上的损耗如果在0.2dB，也就是在2%以下，可以被看成是低损耗的传输线，一旦超过这一限度，则是应该尽量避免的。
根据单位传输线损耗的经验公式：Loss(per inch)=4.34[R/Z0]dB（详见Johnson的High-speed digital design）。
趋肤效应简介
多层线圈高频损耗严重、线圈并联不正确时产生高 频环流以及处于强交变磁场中的屏蔽层和不工作中 心抽头线圈高损耗问题。
集肤效应（Skin effect） 集肤效应（Skin effect）
磁场最强 低频时单根导 线产生的磁场 离开导线中心 越远磁场越弱
H = I / πd
在导线中心包围的电流少，磁场H弱。 由中心点向外延伸时，包围的电流逐 渐加大，到达导体表面时包围了全部 电流，磁场也最强。
Skin effect
如果通过高频电流，由于分布电感的作用，外部 电感阻挡了外加电压的大部分，只是在接近表面 的电阻才流过较大电流，由于分布电感压降，表 面压降最大，由表面到中心压降逐渐减少，由表 面到中心电流也愈来愈小，甚至没有电流，也就 是没有磁场。这就是集肤效应或趋肤效应。
研究表明，导线中电流密度从导线表面到中心按指数 规律下降。导线的有效截面积减小而电阻加大。 工程上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Δ:
THE END
穿透深度越深导线的利用率越高，反之。
有了上面对集肤效应的分析可以得出下面的使用指导 大直径的导线因交流电阻引起的交流损耗大， 经常用截面之和等于单导线的多根较细导线并联。
如果是两根导线代替一根，细导线的直径
d = D/ 2
单导线的穿透截面积 两根并联导线的穿透截面积
π d∆
2π d ∆
多股细线绞合的利兹线可以减小集肤效应和邻近效应。
b、c和d、e边与主电 流OA相反（图中蓝色）
主电流和涡流 之和在导线表面加 强，趋向导线中心 越弱，电流趋向于 导体表面。这就是 集肤效应。
将单位长度的导 线，分割成足够 小的同心圈，当 沿径向分割足够 小时，认为通过 这些筒的截面磁 感应密度均匀。
导体的趋肤效应
导体的趋肤效应趋肤效应是一种紊流下的热能传递效应，即擦摩表面元件后，由于接触面改变而使表面的温度明显上升的现象。
趋肤效应的物理原理主要源于擦摩表面时聚变的热能，该热能经由导体转移并释放，从而使表面温度升高。
一、导致趋肤效应发生的原因1、摩擦：摩擦力在一定范围内会引发接触面表面的温度升高，这叫做摩擦热。
2、机械摩擦：机械摩擦力会使摩擦面变得热，这是由于它会在摩擦面产生热量，使得摩擦面表面温度升高。
3、润滑：当一定程度的润滑剂分子进入摩擦面时，它的可聚变性物质会驱动摩擦面的温度升高。
4、热储存效应：当接触面受到摩擦力进行瞬时位移或折叠时，会产生热能，使接触面的温度升高。
二、瓷陶瓷在趋肤效应中的作用1、热导率高：由于瓷陶瓷具有良好的热导性，可以有效提高热量的传导效率，从而减少温度的不均匀现象。
2、耐磨：瓷陶瓷材料具有良好的耐磨性能，因此在发生摩擦时，不会因摩擦而引起明显的变形或破坏，从而起到一定的缓冲作用。
3、热传导：瓷陶瓷材料具有良好的热传导性，可以将摩擦产生的热能有效转移，从而增大趋肤效应对表面温度的影响。
4、热容量：瓷陶瓷材料具有较高的热容量，即温度较高时不会失去温度，从而维持表面温度高度稳定。
三、趋肤效应的应用1、家具：可以在家具上使用趋肤效应材料，可以使家具表面长久保持温暖，让使用者感受温暖的触感，更加舒适。
2、电子产品：可以在电子产品的表面涂覆一层趋肤材料，可以使电子产品表面温度更加稳定，减少表面冻结现象发生。
3、汽车部件：可以将趋肤效应材料应用在汽车部件上，保持汽车部件表面温度更加稳定，提高汽车的安全性。
4、涂料：可以将趋肤效应材料应用在涂料上，保持涂料表面温度更加稳定，提高使用性能和耐久性。
趋肤效应的理论研究与解析计算
应用菲涅尔公式 (垂直入射时 , θ = 0 , θ ″ = 0 )得 θ 2 ε 1 co s ε θ+ ε θ 1 co s 2 co s
″
=
2 ε 1
ω μ σ
.
( 1)
ε ε 1 + 2
, (6)
对于欠良导体 ,因其电导率较小 ,有
即
[收稿日期 ] 2009 - 06 - 15 [基金项目 ]重庆市教育委员会科学技术研究项目 ( KJ051202) . [作者简介 ]石东平 ( 1964 - ) ,男 ,重庆潼南人 ,教授 ,硕士 ,主要从事电磁场理论 、 广义相对论与引力场理论方面的研究 .
18
E″ = E
2 ε 0
ε ε″ 0 +
=
2 ε 0
σ 1 /2 ε ) 0 + ε( 1 + i ω ε
, ( 7)
( 11 )式变为
E ″=
2 E0 1 +
σ ω 2 ε 0
2
+
σ ω ε 2 0
e
-αz
e
i βz -ω t + θ
.
进一步化简为
E″ = E
( 12 ) 2
ε 1 + ε 0
.
( 11 )
值计算方法对新表达式进行检验 . 表 1 是两种不 同趋肤深度表达式的计算结果 . 方法 1 代表旧表 达式的计算结果 ,方法 2 代表新表达式的计算结 果 . 导体的电导率可查阅物理学手册 , 除磁性物 质外 , 磁 导 率 μ≈ μ 0 ,电磁波的频率取 ν ～
10 H z.
10
假设电磁波沿着 z轴方向射入良导体 , 故可以将
2 称为旧表达式 . μ σ ω
趋肤效应的普通物理解释
趋肤效应的普通物理解释
湿度变化和人体的趋肤效应之间存在着密切的联系。
趋肤效应指的是在相同环境温度条件下，当空气湿度变化时，人们的肤觉可能显示出不同的感受，比如感到炎热，寒冷，闷热，凉爽等等。
它是由人体湿散热不均匀时温度和湿度之间不同的相互作用所致。
具体而言，人体湿散热不均匀是指当空气湿度升高时，空气中的水分会吸收更多的热量，使物质温度上升，有利于人体散热，使人感到温暖；相反，当空气湿度降低时，空气中的水分将放出较多的热量，使物体温度变低，因而人体无法散热，使人感到寒冷。
另外，湿度还会影响人体皮肤表面的反射率，湿度较低时皮肤表面的反射率会升高，即空气中所藏的红外线会反射回人体，使室内热觉得更加强烈；而湿度较高时人体皮肤表面反射率会降低，空气中所藏的红外线会被吸收，因而室内寒感会加重。
此外，空气环境中的水分浓度还会影响人体的热量传输，当空气湿度增加时，水分在空气中的浓度也会增加，使热量在空气中的传输更容易，使环境温度变高，从而让人们感到闷热；而当空气湿度降低时，水分在空气中的浓度变少，使热量在空气中的传递变得不容易，使环境温度变低，从而给人们带来感觉较为凉爽。
总之，空气湿度变化可能会引起人们肤觉的变化，进而产生趋肤效应，这可以由物理解释。
人体湿散热不均匀，湿度影响反射率，水分浓度影响热量传输，都是湿度变化和人体趋肤效应之间的一些普通物理过程。
什么是交流电的趋肤效应
什么是交流电的趋肤效应什么是交流电的趋肤效应当直流电通过导体时，其内部的电流密度是均匀分布的。
但当其通过交流电时，流动电荷会渐渐向导体边缘靠近，导体边缘的电流密度要大于导体中心的电流密度，甚至中心将没有电流通过。
这一现象称为交流电的趋肤效应。
趋肤效应与交流电的频率密切相关，频率越高这一现象将愈加明显。
在直长导体的截面上，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ω为角频率,γ为导体的电导率，μ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。
趋肤效应使导体的有效电阻增加。
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相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线（例如收音机中波磁棒天线上的高频线圈，是多股纱包线），这种多股线束称为辫线。
电流趋肤效应
电流趋肤效应电流趋肤效应是指当一定频率的交流电通过导体时，由于导体的自感和电容等因素的影响，电流集中分布于导体的表层，呈现出高密度低深度的特点，这种现象被称为电流趋肤效应。
该效应在电磁学、电力工程、通信等领域中有着重要的应用。
下面我们就来详细了解一下电流趋肤效应的原理和应用。
一、原理解析1.1 定义电流趋肤效应是指当电流通过导体时，由于止流边界作用，电流主要沿导体表面流动，并使导体表面的发热量增大。
1.2 形成原因我们知道，尽管导体内部也存在电阻，但是电流仍然集中在导体表面而不是整个导体内部。
这是由于交变磁场的感应作用导致了交变电场，从而引起了电流导体内部的阻力。
由于直流电是不会随着时间变化而产生磁场的，因此直流电并不会引起电流趋肤效应。
1.3 影响因素电流趋肤效应的大小取决于电流频率、环境温度、导体的材料、导体的形状和厚度等因素。
当电流频率越高，电流趋肤效应越明显。
当周围环境温度升高时，电流趋肤效应也会变得更加明显。
二、应用2.1 电力工程领域在电力系统中，由于电力系统所处理的电流数量级较大，因此电流趋肤现象将导致金属材料表面的大量能量损失，从而影响到电力传输和变换的效率。
因此，电力工程人员需要对导体的尺寸和材料特性进行严格的计算和设计，从而有效地控制电流趋肤效应，提高电力传输效率。
2.2 通信领域在通信系统中，电流趋肤效应也是一个非常重要的问题。
当前，越来越多的通信系统采用高频信号传输，这就会导致电流趋肤效应成为通信系统中不可忽视的问题。
为了控制电流趋肤，我们需要使用材料和导体结构优化的方法，或使用超导体等技术，以减小因电流趋肤带来的能量损耗。
2.3 石油勘探领域在石油勘探过程中，电阻率是一个非常重要的参数，因为它可以帮助勘探人员了解地下岩石的组成结构和各项物理性质。
然而，由于电流趋肤现象的存在，传统的测量方法在高频场中的精度将受到威胁。
因此，在石油勘探领域中，针对电流趋肤效应的研究也是不可或缺的。