趋肤效应趋肤效应的影响 ppt课件
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。
趋肤效应和穿透深度
二、导体内的电磁波
kx kx kx
k (0) x
kx
x
ix
(3.18)
由于在真空中的
k
(0)为实数，因此有
x
x 0
x kx kx(0)
二、导体内的电磁波
即矢量α垂直于金属表面。但是矢量β有x分
量，由(3.17)和(3.18)式即可解出αz和βz。因而
可以确定矢量α和β。
三、趋肤效应和穿透深度
四、电磁波在导体表面上的反射
n (E 2 E1) 0 （3.26） n (H 2 H1) 0
E E E H H H
四、电磁波在导体表面上的反射
在真空中
H 1 kE
H 0 E 0
H 0 E 0
四、电磁波在导体表面上的反射
H 1 ( i )n E
1 (1 i)n E 2
2
)
2
（3.20）
三、趋肤效应和穿透深度
对于良导体的情况下，（σ/εω）>>1，故
[1
1
]2
2
2
（3.21）
(1)穿透深度δ 波幅降到原来值的1/e的距离叫做穿透深度。
z=1/α=δ
三、趋肤效应和穿透深度
1 2
(3.22)
由此可见，穿透深度与电导率和频率的平方根成 反比。
对于金属铜来说，σ～5×107西门子/米，当 f =50Hz时，δ～0.9cm
(3.5)
式中ρ0为t=0时刻的电荷密度。上式表明，导体内的
电荷密度随时间作指数规律衰减。
一、导体内的自由电荷分布
τ在数值上等于ρ从ρ0衰减到ρ0/e所用的时间，
1
1
(T )
(3.6)
导体的集肤效应
集肤效应集肤效应又叫趋肤效应,当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。
是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。
目录电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。
集肤效应是电磁学，涡流学（涡旋电流）的术语。
这种现象是由通电铁磁性材料，靠近未通电的铁磁性材料，在未通电的铁磁性材料表面产生方向相反的磁场，有了磁场就会产生切割磁力线的电流，这个电流就是所谓的涡旋电流，这个现象就是集肤效应。
编辑本段计算公式我们可以计算交变电流集肤效应的深度：δ=1/sqrt(1/2*w*σ*μ)其中，w是交流电频率，σ是导体电导率，μ是导体磁通率。
编辑本段影响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，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。
编辑本段效应考虑到交流电的集肤效应，为了有效地利用导体材料和便于散热，发电厂的大电流母线常做成槽形或菱形母线；另外，在高压输配电线路中，利用钢芯铝绞线代替铝绞线，这样既节省了铝导线，又增加了导线的机械强度，这些都是利用了集肤效应这个原理集肤效应是在讯号线里最基本的失真作用过程之一，也有可能是最容易被忽略误解的。
与一般讯号线的夸大宣传所言,集肤效应并不会改变所有的高频讯号,并且不会造成任何相关动能的损失。
正好相反，集肤效应会因传导体的不同成分，在传递高频讯号时有不连贯的现象。
同样地，在陈旧的线束传导体上，集肤效应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动，对于声音造成刺耳的记号。
编辑本段电流的集肤效应第一，电子在导体内总是沿着阻力最小的路线流动。
在导体表面及近表层的结构元与导体表面基本平行，电子在其间换位流动阻力较小。
而在导体内部结构元呈上下、左右、前后空间排列，电子在其间定向流动要受到五个方向的阻力，（而在表面只有三个方向的阻力）可见电子在导体表层附近运行的阻力要比在内部小得多，这样就导致了电流的集肤效应。
集肤效应
集肤效应1。
解释集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。
电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。
频率越高，趋肤效用越显著。
因为当导线流过交变电流时，在导线内部将产生与电流方向相反的电动势？？。
由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。
这样作用的结果，电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。
集肤效应是电磁学，涡流学（涡旋电流）的术语。
这种现象是由通电铁磁性材料，靠近未通电的铁磁性材料，在未通电的铁磁性材料表面产生方向相反的磁场，有了磁场就会产生切割磁力线的电流，这个电流就是所谓的涡旋电流，这个现象就是集肤效应。
2。
影响及应用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，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。
考虑到交流电的集肤效应，为了有效地利用导体材料和便于散热，发电厂的大电流母线常做成槽形或菱形母线；另外，在高压输配电线路中，利用钢芯铝绞线代替铝绞线，这样既节省了铝导线，又增加了导线的机械强度，这些都是利用了集肤效应这个原理。
集肤效应是在讯号线里最基本的失真作用过程之一，也有可能是最容意被忽略误解的。
与一般讯号线的夸大宣传所言,集肤效应并不会改变所有的高频讯号,并且不会造成任何相关动能的损失。
正好相反，集肤效应会因传导体的不同成分，在传递高频讯号时有不连贯的现象。
同样地，在陈旧的线束传导体上，集肤效应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动，对于声音造成刺耳的记号。
skin effect定义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。
趋肤效应和穿透深度
一、导体内的自由电荷分布
D
E
（3.1）
J E
E J
（3.2）
J ,
,
一、导体内的自由电荷分布
J
(3.3)
(3.3)式表明，在导体内凡是有正电荷存在的地方， 就有电流向外流出，直到流完为止。
一、导体内的自由电荷分布 由电荷守恒定律
z i z it
J ( x, t ) E( x, t ) E0 ( x, y)e
电流只分布在表面附近厚度为
1
电流看作面电流分布，面电流的线密度 f定义为通过
的薄层内，薄层内的
单位横截线的电流，即等于薄层内 J 对 z 的积分。
f Jdz E0 e z i z dz
(3.11)
k
(3.12)
二、导体内的电磁波
方程（3.11）形式上也有平面波解
E (x ) E 0 e
i k x
由于k是一个复矢量，因) E 0 e
β和α都是实数矢量。
α x i ( β x t )
（3.26）
E E E H H H
四、电磁波在导体表面上的反射
H
1
k E
在真空中
0 H E 0
0 H E 0
四、电磁波在导体表面上的反射
H 1
1
( i )n E (1 i) n E
第四章 平面电磁波的传播
§1 平面电磁波
§2 电磁波在介质面上的反射和折射
§3 有导体存在时电磁波的传播
§4 谐振腔
§5 波导
§3 有导体存在时电磁波的传播
趋肤效应原理
趋肤效应原理
趋肤效应原理，指的是人类对于与自身相似特征的事物更感兴趣，更容易产生亲近感。
这一原理在心理学中被广泛探讨，并且被应用于各个领域。
在人际关系中，趋肤效应原理解释了为什么人们更喜欢与和自己相似的人建立关系。
例如，同样是年轻人的交往更加频繁，因为他们有着相似的兴趣爱好和生活经历。
人们更容易产生共鸣和理解，从而更容易建立起亲密关系。
在广告和市场营销领域，趋肤效应原理被用来吸引消费者的注意力并提高产品的销售。
通过展示与目标消费者相似的形象、背景和价值观，营销策略可以激发消费者的共鸣，增加他们对产品的认同感，并促使他们购买。
此外，趋肤效应原理还被应用于教育领域。
教师可以通过与学生建立亲和力，更好地理解和满足他们的需求。
在教育环境中，趋肤效应可以促进学生参与课堂活动、加强学习效果。
总之，趋肤效应原理指出人们更倾向于与与自己相似的事物建立联系，这一原理在人际关系、市场营销和教育等领域都有重要应用。
通过了解和利用这一原理，我们可以更好地与他人建立关系，提高产品的销售和促进学习效果。
集肤效应、邻近效应、边缘效应、涡流损耗!.pdf
一、集肤效应1.1集肤效应的原理集肤效应也称趋肤效应，图1.1表示了集肤效应的产生过程。
图中给出的是载流导体纵向的剖面图，当导体流过电流（如图中箭头方向）时，由右手螺旋法则可知，产生的感应磁动势为逆时针方向，产生进入和离开剖面的磁力线。
如果导体中的电流增加，则由于电磁感应效应，导体中产生如图所示方向的涡流。
由图可知：涡流的方向加大了导体表面的电流，抵消了中心线电流，这样作用的结果是电流向导体表面聚集，故称为集肤效应。
在此引进一个集肤深度〈skin depth〉的概念，此深度的电流密度大小恰好为表面电流密度大小的1/e倍：一般用集肤深度Δ来表示集肤效应，其表达式为：其中：γ为导体的电导率，μ为导体的磁导率，f为工作频率。
图1.1.集肤效应产生过程示意图图1.2.高频导体电路密度分布图高频时的导体电流密度分布情形，大致如图1.2所示，由表面向中心处的电流密度逐渐减小。
由上图及式1.1可知，当频率愈高时，临界深度将会愈小，结果造成等效阻值上升。
因此在高频时，电阻大小随着频率而变的情形，就必须加以考虑进去。
1.2影响及应用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，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。
考虑到交流电的集肤效应，为了有效地利用导体材料和便于散热，发电厂的大电流母线常做成槽形或菱形母线；另外，在高压输配电线路中，利用钢芯铝绞线代替铝绞线，这样既节省了铝导线，又增加了导线的机械强度，这些都是利用了集肤效应这个原理。
集肤效应是在讯号线里最基本的失真作用过程之一，也有可能是最容意被忽略误解的。
与一般讯号线的夸大宣传所言,集肤效应并不会改变所有的高频讯号,并且不会造成任何相关动能的损失。
正好相反，集肤效应会因传导体的不同成分，在传递高频讯号时有不连贯的现象。
同样地，在陈旧的线束传导体上，集肤效应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动，对于声音造成刺耳的记号。
趋肤效应及相关
趋肤效应导线内部实际上电流很小,电流集中在临近导线外表的一薄层。结果使它的电阻增加。导线电阻的增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。
目录
Байду номын сангаас
定义
趋肤效应简介
趋肤效应解析
趋肤效应实验实验目的
实验器材
实验原理
实验操作与现象
注意事项
中文名称：趋肤效应 英文名称：skin effect 其他名称：集肤效应 定义：对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大，电感减小。 所属学科：电力（一级学科）；通论（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
编辑本段趋肤效应解析
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。 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。
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最窄边为准）。 △与频率f(w)和导线物理性能的关系
为：
△
△
2
<
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6
< 2
式中，μ-导线材料的磁导率；
γ=1/ρ-材料的电导率；
Κ-材料电导率（或电阻率）温度系数；对于铜μ=
μ0=4π×10-7H/m; 20℃时ρ=0.01724×10-6 Ω/m，电阻率温度 系数为1/234.5（1/℃），Κ=（1+（T-20）/234.5）。
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电阻mΩ 0.8745 xL 3.6122 xL
0.8676 xL
15
3、利用管和泊减低趋肤效应的影响： 在频率很高时（至少大于1KHZ），趋肤效应深度也很小，电流基本集中在
导体的表面，内部的导体部分基本上没有电流，将这部分导体去除变成管后， 可以大大减轻导体的重量，而对电流的传送又没有影响。同样，在很高的频 率时，也可以将带状线压成泊状，既保证其对电流的传送，又可减轻其重量。 例如，高频大功率的传输线和高频天线的振子就可以使用铜管或铝管来制作， 如果在铜管或铝管的表面加镀一层高导电的金属膜（银或金），效果就会更 好；高频传输线或天线，也可以用在不导电的管或棒形胎表面敷（或镀）导 电金属泊（膜）来制作，即节省昂贵的金属材料，又保证了导电性能和机械 强度。
根据扁线最佳高度a = 2 x d 的原则，带状铜线的最佳厚度为：
a =2 x 66.1 mm f
宽度则由要求的电流密度确定。
对于厚度为 a 的带状线，如果传送电流的频率为 f (Hz)，保持交 流载流密度Jf 和直流载流密度J 相当，得到最佳减低趋肤效应电 阻的带状宽度W是：
W
=
1 J
1 appt课件mm
单股线通直流
单股线通交流 （100KHZ) 多股细线通交流 （100KHZ）
电流A 10
10
电流密度A/mm2 5.66
11.803
电阻mΩ 0.01 xL
0.021 xL
0.7769每股
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5.66
总电阻0.01 xL
12
2、用带状导线来减低趋肤效应的影响：
在大电流时经常使用扁铜线，在可能的情况下，可以将导线的厚 度减小，宽度增加，使其变成带状，只要合理的确定带状线的厚 度和宽度，就可以使其高频趋肤效应的影响最小。
当根据电流的趋肤深度来确定扁线的窄边高度，使 扁线变成为厚度等于2倍的趋肤深度，而截面面积和原 扁线截面面积相等的带状后，可以使电流趋肤效应的 影响减到最小。
单扁线通直流
单股扁线通交流 （100KHZ)
带状线通交流 （100KHZ）
电流A 100 100
100
电流密度A/mm2 5.0
20.65
4.96
T-导线温度（℃）。铜导线温度20℃、不同频率下的穿透
深度： < 6.6 (cm) f
一般磁性元件的线圈温度高于20℃。在导线温度100℃时， ρ100=2.3×10-6 Ω/cm,穿透深度：
7.65
< (cm)
f
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7
几种导体的趋肤深度
电导率 相对
(S/m) 导磁率
材料
铝
1
黄铜
1
铬
1
铜
1
金
0.14 0.35 0.011 0.2
0.037 0.092 0.0029 0.053
0.18 4.4
0.014 0.26
-
0.83 2.03 0.064 1.17
2.21 5.41 0.171 3.12
1.51 3.7
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0.117 3.14
8
降低趋肤效应的方法
由于电流趋肤效应的存在，使得导线的有效载流面积减小， 导线对交流电流的电阻大于导线的电阻（这里所说的导线的电阻 即为导线对直流电流的电阻）；只有导线的趋肤效应面积和导线 本身的截面相等时，导线的交流电阻最小，此时有：
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ρ 铜=0.01749Ωm/mm2；k 是导体材料随温度的变化系数，为0.00393)
当电流频率 f = 100kHz时，趋肤效应深度：d = 66.1 =0.209 mm f
趋肤效应面积：Sf =πx ( D - d ) x d=0.8472 mm2
趋肤效应电阻(20℃时)：Rac =0.021 x L （*Rac =ρ x [ 1 + k x ( T -20 ) ] x L / Sf) 交流载流密度：Jf =I/Sf=11.803 A/mm2 用细线代替时，每股线的直径df 和截面积 Sfn为：df =2 x d =0.42 mm Sfn =πx df 2 / 4 =0.13726 mm2 股数：N =D2 / df 2 =12.87≈13 用细线代替后，每股电流 In 和电流密度Jn为：In =I/N=0.7769 A Jn =In/Sfn=5.66 A/mm2 趋肤效应电阻(20℃时)：Rac =0.01749 x L / ( N x Sfn )=0.01x L≈Rdc
Df 2 66.1 (mm) f
细线的股数为：
N D2 Df 2
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例如，电流 I = 10A，电流密度J = 5.66A/mm2，单股导线的直径为：
D =2 x I =1.50mm J
导线的直流电阻最为：Rdc =0.01 x L
(*Rdc = ρ x [ 1 + k x ( T -20 ) ] x L / S；
1
石墨
1
磁性铁
坡莫合金
镍
海水
1
银
1
锡
1
锌
1
趋肤深度
3GHz(
60Hz(cm) 1kHz(mm) 1MHz(mm) )
1.1
2.7
0.085 1.6
1.63 3.98 0.126 2.3
1
2.6
0.081 1.5
0.85 2.1
0.066 1.2
0.97 2.38 0.075 1.4
20.5 50.3 1.59 20
大。
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如图所示，当导体通过高频电流i时，变化的电流就要在导 体内和导体外产生变化的磁场（图中1-2-3和4-5-6）垂直于电 流方向。根据电磁感应定律，高频磁场在导体内沿长度方向的 两个平面L和N产生感应电动势。此感应电势在导体内沿长度方 向产生的涡流(a-b-c-a和d-e-f-d)阻止磁通的变化。可以看到涡 流的a-b和e-f边与主电流O-A方向一致，而b-c边和d-e边与O-A 相反。这样的主电流和涡流之和在导体表面加强，越向导线中 心越弱，电流趋向于导体表面。这就是趋肤效应。
Sf =S Rac =Rdc
式中Sf -- 交流趋肤效应面积
S -- 导线截面面积
Rdc -- 导线的直流电阻
Rac -- 导线的交流电阻
因此，减低趋肤效应电阻的最直接的方法，就是改变导线截 面的形状，尽量使趋肤效应面积和导线截面面积相同。
(* 在计算圆导线和扁导线的交流趋肤效应电阻时，设定趋肤深度条件为小于圆
所以此时Rac比Rdc稍小一点点） 交流载流密度：Jf=I/S =I/ （a x W）=4.96 A/mm2 带状线(0.42mm x 48mm)的高频电流密度和交流电阻仅为原扁线(2mm x 10mm)的1/4；当然，带
状线的交流损耗也仅为扁线的交流损耗的 1/4 。
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结论：
扁状导线的趋肤效应电阻和导线的截面形状有关， 在截面面积确定后，其窄边高度越大，趋肤效应的影 响也越大。
现在，电子设备的体积越来越小型化，因此电源的工作频率越来越高，为 了提高电源中必需的变压器和功率电感的效率，一方面使用高频极低损耗的 磁材，一方面使用减低高频电流损耗的导体；比如，目前已广泛生产和使用 的极扁带状漆包线就是一种选择。
管或是在不导电棒形胎上镀 一层导电金属泊
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The end
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产
生最大的感应电动势。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，趋肤效应使导线型传输线在高
频（微波）时效率很低，因为信号沿它传送时，衰减很
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3
趋肤效应具体解析
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的。但在高频
线半径或扁线窄边高度的1/2，在趋肤深度大于这个设定时，计算趋肤效应电
阻是无意义的)
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9
1、用多股细线并联代替单根导线来减低趋肤效应的影 响：
对于直径为D的圆铜导线，如果传送电流的频率为 f (Hz)，保持交流载流密度Jf 和直流载流密度J 相当， 最佳降低趋肤效应电阻的方法是用多股细线替换，使 Sf=S，每股细线的直径为：
趋肤效应
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1
趋肤效应的影响
在长直导体的截面上，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