交流电路中产生环形涡流
导体内部感应磁场产生的环形涡流是一个变化的电场,它的外侧与交流电电流方向相同,而靠近导线中轴的区域形成反电动势,这样导致的结果就是导体外表面的电流得到加强,而中间的电流被削弱了,看起来电流都集中在电线的表面“皮肤”,因此我们称这种现象为趋肤效应,或集肤效应。
趋肤效应的产生
“皮肤”有多厚?由于趋肤效应使得导体表面的电流密度大,并且随着深度的增加电流密度呈指数下降,因此导线的有效横截面积变小,电阻增加。那么这一层“皮肤”到底有多厚呢?
我们假设导体表面电流密度为1时,其内部电流密度为表面37%的深度δ,这个δ值就是皮肤厚度。
皮肤厚度
δ并不是一个固定值,它的大小与介质的相对磁导率 μr、介质的电阻率 ρ、以及交变电流的频率 f 都有关系,我们通常用以下公式来计算出 δ的值:
由这个公式我们可以看出,对于同一种材料的电线,当交流电流变化的频率越高时,δ的值越小;而电流频率越低,δ越大。一般情况下,当50Hz交流电流过铜质电缆时,它的皮肤厚度达到9.2毫米。而在一个10GHz的微波电路中,电流会集中在铜线表面0.65微米的表层。
趋肤效应的实用意义了解电流的趋肤效应意义重大。在高压输电线路的设计时,我们不能一味通过增加导线的直径来获得大电流,因为当铜导线直径超过2厘米时,它中心部分的电流很少,因此造成材料的浪费。为了输送更多电能,特高压输电会采用多束相同的电缆来提高效率、降低损耗。