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什麽是

2012-02-17

理想中電子在導體中以平均分布的方式傳導流通,集膚效應(圖右)則是電子集中在導體的近外膚位置上流通,使橫切麵的核心部位呈現空泛狀態,進而使電流輸送量減少。

    集膚效應(又稱趨膚效應)是指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的一種現象。隨著與導體表麵的距離逐漸增加,導體內的電流密度呈指數遞減,即導體內的電流會集中在導體的表麵。從與電流方向垂直的橫切麵來看,導體的中心部分電流強度基本為零,即幾乎沒有電流流過,隻在導體邊緣的部分會有電流。簡單而言就是電流集中在導體的“皮膚”部分,所以稱為集膚效應。產生這種效應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。 


簡介

    趨膚效應最早在賀拉斯•蘭姆1883年的一份論文中提及,隻限於球殼狀的導體。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係統方麵都要考慮到趨膚效應的影響。

一般來說,在給定的頻率下,使得導線對交流電的電阻增加百分之十的直徑大約是:以上的導線對交流電的電阻隻對於孤立的導線成立。對於兩根鄰近的導線,交流電阻會受到鄰近效應的影響而顯著增大。


減緩趨膚效應的方法


    一種減緩趨膚效應的方法是采用所謂的利茲線(源自德語:Litzendraht,意為“編織起來的線”)。利茲線采用將多條金屬導線相互纏繞的方法,使得電磁場能夠比較均勻地分布,這樣各導線上的電流分布就會較為平均。使用利茲線後,產生顯著趨膚效應的頻率可以從數千赫茲提高到數兆赫茲。利茲線一般應用在高頻交流電的傳輸中,可以同時減緩趨膚效應和鄰近效應。

高電壓大電流的架空電力線路通常使用鋼芯鋁絞線,這樣能使鋁質部分的工作部分溫度降低,減低電阻率,並且由於趨膚效應,電阻率較大的鋼芯上承載極少的電流,因而無關緊要。

還有將實心導線換成空心導線管,中間補上絕緣材料的方法,這樣可以減輕導線的重量。

在傳輸的頻率在甚高頻或微波級別時,一般會使用鍍銀(已知的除超導體外好的導體)的導線,因為這時趨膚深度如此之大,以至於更厚的銀層已經是浪費了。


其它應用

趨膚效應使得交變電流隻通過導體的表麵,因此電流隻在其表麵產生熱效應。鋼鐵工業中利用趨膚效應來為鋼進行表麵淬火,使鋼材表麵的硬度增大。

    趨膚效應也可以描述為:導體中交變電磁場的強度隨著進入導體的深度而呈指數遞減,因此在防曬霜中混入導體微粒(一般是氧化鋅和氧化鈦),就能使陽光中的紫外線(高頻電磁波)的強度減低。這便是物理防曬的原理之一。此外,趨膚效應也是電磁屏蔽的方法之一,利用趨膚效應可以阻止高頻電磁波透入良導體而作成電磁屏蔽裝置,這也是電梯裏手機信號不好的原因。



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