涡流和趋肤效应
涡流检测-第3章(3.1节)
金属表面涂层或绝缘覆盖层的厚度。
⑵ 边缘效应 当线圈移近工件的边缘时，涡流流动的路
径发生畸变，产生“边缘效应”干扰信号。
边缘效应信号远大于超过检测信号。
3.1.2 阻抗分析法
3.1.2.6 相似定律和缺陷的阻抗分析
⑴ 影响线圈阻抗的因素
① 与线圈自身有关的因素：线圈的半径R、长度l、匝数N和自感L0。
3.1.2 阻抗分析法
3.1.2.2 穿过式线圈检测金属棒材
⑴ 非铁磁性棒材 当棒材直径d变化时，对线圈阻抗 影响是双重的：
eff的变量f／fg
填充系数 在阻抗图中直径变化和电导率变 化方向是不同的（虚线方向）。
利用相敏技术可以把电导率变化
从直径变化中分离出来。
3.1.2 阻抗分析法
3.1.2.2 穿过式线圈检测金属棒材
称检测线圈的填充系数：
( )2
等于圆棒截面积与测量绕组截面积之比，表示圆棒填充线圈的程度。 （1－＋reff）项：乘以“空心”线圈电压V0即得到有圆棒时电压。 当＝1时：（1－＋reff）＝reff ，就是圆棒充满线圈时的情况 （圆棒完全充满线圈是非完全充满的特殊状态）。
3.1.1 涡流及其趋肤效应
⑵ 趋肤效应与涡流透入深度
在渗透深度以下分布的磁场和涡流较小，并非没有磁场和涡流存在。 在涡流探伤中，金属表面的涡流密度最大，检测灵敏度高；深度超过 渗透深度，涡流密度衰减至很小，检测灵敏度低。
3.1.1 涡流及其趋肤效应
⑶ 金属圆棒中的趋肤效应
位于均匀交变磁场H0的金属圆棒中磁场强度和涡流密度的分布曲线。 棒材表面的磁场强度大于中心磁场强度，随频率比f／fg ＝2 r2f的
涡流检测 第3章 基本原理
钢铁研究总院 范 弘
趋肤效应 临近效应 涡流
高电压大电流的架空电力线路通常使用钢芯铝绞线，这样能使铝质部分的工作部分温度降低，减低电阻率，并且由于趋肤效应，电阻率较大的钢芯上承载极少的电流，因而无关紧要。
还有将实心导线换成空心导线管，中间补上绝缘材料的方法，这样可以减轻导线的重量。
临近效应
是指当两条（或两条以上）的导电体彼此距离较近时，由于一条导线中电流产生的磁场导致临近的其他导体上的电流不是均匀地流过导体截面，而是偏向一边的现象。
趋肤效应最早在贺拉斯·兰姆1883年的一份论文中提及，只限于球壳状的导体。1885年，奥利弗·赫维赛德将其推广到任何形状的导体。
是指导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀的一种现象。
定义
随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内的电流密度呈指数递减，即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横切面来看，导体的中心部分电流强度基本为零，即几乎没有电流流过，只在导体边缘的部分会有电流。
置于随时间变化的磁场中的导体内，也会产生涡流，如变压器的铁心，其中有随时间变化的磁通，它在副边产生感应电动势，同时也在铁心中产生感应电动势，从而产生涡流。这些涡流使铁心发热，消耗电能，这是不希望有的。但在感应加热装置中，利用涡流可对金属工件进行热处理。
大块的导体在磁场中运动或处在变化的磁场中，都要产生感应电动势，形成涡流，引起较大的涡流损耗。为减少涡流损耗，常将铁心用许多铁磁导体薄片( 例如硅钢片 )叠成，这些薄片表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物。磁通穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，再由于这种薄片材料的电阻率大，这样就可以显著地减小涡流损耗。所以，交流电机、电器中广泛采用叠片铁心。
涡流
集肤效应、涡流、邻近效应及电磁屏蔽
05
电磁屏蔽
定义与原理
电磁屏蔽定义
电磁屏蔽是指通过特定的材料或结构 ，将电磁波限定在某一区域内，防止 其向外传播或干扰其他设备的技术。
屏蔽原理
电磁屏蔽主要利用屏蔽材料对电磁波 的反射、吸收和引导作用，使电磁波 在屏蔽材料内部产生衰减，从而达到 屏蔽的效果。
屏蔽材料与技术
屏蔽材料
常用的电磁屏蔽材料包括金属、导电高分子、碳材料等。金属具有良好的导电性和反射性能，是电磁 屏蔽的首选材料；导电高分子和碳材料则具有轻质、易加工等优点，适用于特定场合。
对电磁波的屏蔽作用。这种方法被广泛应用于电子设备中的电磁屏蔽设
计。
03
涡流检测
集肤效应还可以应用于涡流检测中。当交变磁场作用于导体时，会在导
体内部产生涡流。通过测量涡流引起的磁场变化，可以实现对导体缺陷、
裂纹等缺陷的检测。
03
涡流
定义与原理
涡流定义
当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，附近的另一个导体中会产生感应 电流，这种感应电流像水的旋涡一样，被称为涡流。
影响因素
导体间距
导体之间的距离越近，邻近效应越明显。当两个 导体紧密接触时，邻近效应将达到最大值。
电流大小
导体中的电流越大，产生的磁场越强，从而邻近 效应也越明显。
导体形状和尺寸
导体的形状和尺寸会影响其内部和外部磁场的分 布，从而影响邻近效应的大小。
应用场景
电力传输
在电力传输系统中，邻近效应可能导致电线之间的能量损失和干扰。为了减小这种影响， 可以采取增加电线间距、使用绞线等措施。
蔽效果，如电磁屏蔽室、电磁屏蔽材料等。
04
邻近效应
定义与原理
定义
邻近效应是指当两个导体彼此接近时，一个导体中的电流会 在另一个导体中产生感应电流，从而导致两个导体之间存在 相互作用的现象。
高中物理第一章电磁感应1.7涡流的趋肤效应的主要应用素材教科版选修3-2(new)
涡流的趋肤效应的主要应用1。
涡流的趋肤效应的应用当交变电流通过导体时，它所激发的交变磁场会使导体本身产生涡流，导体中的涡流使电流密度分布不再均匀，越靠近导体表面处电流密度越大，这种交变电流趋向于导体表面的效应就叫趋肤效应。
其重要应用是对金属进行表面淬火或局部淬火。
淬火时，一般是将金属工件放在用空心铜管绕成的线圈中，当线圈通有高频电流时（线圈内部通水冷却)，金属工件内产生涡流的趋肤效应，金属表面的温度急剧升高，当达到淬火温度时，将工件立即浸入冷却液体中，从而达到淬火的目的.这种热处理方法既增加了金属表面的硬度，又不失去金属原有的韧性，能够保证和提高产品质量,比用一般的火焰淬火加热速度快，零件表面氧化损失少，加工成本低，劳动条件好。
2。
减少涡流的趋肤效应的影响由于高频电流趋于导体表面流动，通电的有效面积小于导体本身的截面积,使导体对交流电的电阻增大.为了减少涡流的趋肤效应的影响，在高频电路中使用的导线常做成管状，以增大导体的有效面积。
例如收音机的拉杠天线就是常见的例子。
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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。
涡流趋肤效应计算公式
涡流趋肤效应计算公式
涡流趋肤效应是指在导电体中存在交变电磁场时，电流会集中在导体表面附近形成涡流，从而导致电流在导体内部的传输受到阻碍的现象。
涡流趋肤效应的计算公式如下：
$$
\delta=\sqrt{\frac{2\rho}{\pif\mu}}
$$
其中，
$\delta$是涡流趋肤深度（SkinDepth），单位为米；
$\rho$是导体的电阻率，单位为欧姆·米；
$f$是电磁场的频率，单位为赫兹；
$\mu$是导体的磁导率，单位为亨利/米。
涡流趋肤深度表示了电流在导体中的分布情况，深度越大表示电流在导体内部分布越均匀，趋肤效应越弱；深度越小表示电流在导体表面附近分布越集中，趋肤效应越明显。
一般情况下，导体的周围环境和导体的尺寸对涡流趋肤深度有一定的影响。
涡流趋肤效应的计算公式可以通过导体的材料参数、导体尺寸和电磁场的频率来确定，它在电磁学、电路设计以及电磁兼容性等领域中都有重要的应用。
涡流和趋肤效应
旋状感应电流，涡电流，简称涡流。 由于导体电阻很小涡流强度会很大，有大量的 能量转变为热能，造成能量的损失称为涡流损耗。 抑制涡流：铁芯做成片状，涂敷绝缘材料， 铁芯片尽量做薄，使用电阻率很大的铁氧体芯。 利用涡流：熔炼金尼。
1
二、趋肤效应 (skin effect )
2
由于趋肤效应的产生，使导线通过交变电流
的有效截面积减小了，导线的电阻增大了。 改善方法：一是采用相互绝缘的细导线束来代 替总截面积与其相等的实心导线，实际上是抑制 涡流；另一种方法是在导线表面镀银, 实际上是降 低导线表面的电阻率。 应用于金属表面热处理。若使高频强电流通过 金属导体，或将金属导体置于交变磁场中，由于 趋肤效应，导体表面温度上升，当升至淬火温度 时，迅速冷却，使表面硬度增大。而导体内部的 温度还远低于淬火温度，在迅速冷却后仍保持韧 性。这种热处理方法称为表面淬火。 3
当交变电流通过导线时，电流密度在导线横截 面上的分布是不均匀的，并随着电流变化频率的 升高，电流将越来越集中于导线的表面附近，导 线内部的电流却越来越小的现象称为趋肤效应。
引起趋肤效应的原因就是涡流。
i
I
i
B
涡流i的方向在导体内部总与电流I 变化趋势相反，阻碍I变化，在导体 表面附近，却与I变化趋势相同。交 变电流不易在导体内部流动，而易于 在导体表面附近流动，形成趋肤效应。
二趋肤效应skineffect当交变电流通过导线时电流密度在导线横截面上的分布是不均匀的并随着电流变化频率的升高电流将越来越集中于导线的表面附近导线内部的电流却越来越小的现象称为趋肤效应
*§11-3 涡流和趋肤效应
一、涡流 (eddy current) 当大块导体处于变化的磁场中或在
I
磁场中运动时，导体内部会产生呈涡
集肤效应、涡流、邻近效应及电磁屏蔽
保护接地 接地
在金属体（含设备外壳）与大地之间建立低阻抗电路，使雷电、过 电流、漏电流等直接引入大地。
工作接地 电磁屏蔽
系统内部带电体接参考点（不一定与大地相连），以保证设备、
系统内部的电磁兼容。 在高频电磁场中，利用电磁波在良导体中很快衰减的原理，选择 d
小且具有一定厚度 (h 2d) 的屏蔽材料。
2J k 2J
扩散方程： 2J k 2J
式中 k j 45 ( 1 j )
2
j
以半无限大导体为例，电流沿 y 轴流动，则有
2 Jy (x) k 2 Jy (x)
2 x 2
J y
(x)
k 2 J y ( x)
静电屏蔽效能
dBSEE
20 lg
E0 E1
,
静磁屏蔽效能
dBSEH
20 lg
H0 H1
屏蔽的谐振现象 ：当电磁波频率与屏蔽体固有频率相等时，发生谐振，
使屏蔽效能急剧下降，甚至于加强原电磁场。
推导扩散方程：
对 H J 两边取旋度，
H ( H ) 2 H J
图5.9.13 两根交流汇流排的邻近效应
5.9.4 电磁屏蔽
为了得到有效的屏蔽作用，屏蔽罩的厚度 h 必须接近屏蔽材料透入
深度的3～6倍，即 h 2π d
表 6-1
(S/m)
d (mm)
f=50Hz 103 Hz
106 Hz 108 Hz
铜
0
5.8107
9.35
2.09
0.066 0.0066
料称为良导体，良导体中可以忽略位移电流，场为 MQS：
H JC 和 E j H
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一、涡流 (eddy current) 当大块导体处于变化的磁场中或在
I
磁场中运动时，导体内部会产生呈涡
旋状感应电流，涡电流，简称涡流。 由于导体电阻很小涡流强度会很大，有大量的 能量转变为热能，造成能量的损失称为量做薄，使用电阻率很大的铁氧体芯。 利用涡流：熔炼金属;真空熔炼和提纯；电磁
驱动或电磁阻尼。
1
二、趋肤效应 (skin effect )
当交变电流通过导线时，电流密度在导线横截 面上的分布是不均匀的，并随着电流变化频率的 升高，电流将越来越集中于导线的表面附近，导 线内部的电流却越来越小的现象称为趋肤效应。
引起趋肤效应的原因就是涡流。
i
I
i
B
涡流i的方向在导体内部总与电流I 变化趋势相反，阻碍I变化，在导体 表面附近，却与I变化趋势相同。交 变电流不易在导体内部流动，而易于 在导体表面附近流动，形成趋肤效应。
2
由于趋肤效应的产生，使导线通过交变电流
的有效截面积减小了，导线的电阻增大了。 改善方法：一是采用相互绝缘的细导线束来代 替总截面积与其相等的实心导线，实际上是抑制 涡流；另一种方法是在导线表面镀银, 实际上是降 低导线表面的电阻率。 应用于金属表面热处理。若使高频强电流通过 金属导体，或将金属导体置于交变磁场中，由于 趋肤效应，导体表面温度上升，当升至淬火温度 时，迅速冷却，使表面硬度增大。而导体内部的 温度还远低于淬火温度，在迅速冷却后仍保持韧 性。这种热处理方法称为表面淬火。 3