海特勒,W.H.
[拼音]:qufu xiaoying
[英文]:skin effect
導體中有交流電通過或者處於交變電磁場中時,由於電磁感應,使電流或磁通在導體中分佈得不均勻,愈近表面處其電流密度或磁通密度愈大,這種現象被稱為趨膚效應或集膚效應。
當導體中通過交流電或載有交變磁通(有渦電流)時,導體中的能量損耗取之於從導體側面進入的電磁場能量。電磁波從導體側面進入導體並在導體內傳播時,由於導體的電導率σ一般都較大,所以波的衰減較大,電場強度E的振幅Em和磁場強度H 的振幅Hm都要隨電磁波進入導體的深度而急劇下降。從而與它們成比例的電流密度δ=σE及磁通密度
B
=μH 也都會隨電磁波進入導體的深度而減小。對一個導體來說趨膚效應是否顯著,取決於導體橫截面的尺寸與電磁波在該導體中透入深度
的比值(見媒質中的平面電磁波)。透入深度 d稱作趨膚厚度,也就是電流密度或磁通密度降到表面值的1/e處的深度。頻率越高、導體的電導率和磁導率越大,趨膚厚度就越小,這時只要導體截面稍大,趨膚效應就會相當顯著。
由於趨膚效應改變了導體內部電流和磁通的分佈,導體單位長度上的電阻R奿和內電感L
都將不同於用電阻定律和恆定磁場計算方法求得的值。R奿比直流電阻Ro大;而L
則比恆定磁通時的電感Lio小。
趨膚效應的計算牽涉到導體中電磁場方程的求解,下面列出幾種簡單情況的解答或近似計算式。
(1)當圓形導體半徑a比透入深度d大得多時,導體單位長度的複數阻抗為:
其電阻為直流電阻Ro的
倍。
(2)當圓形導體半徑a與透入深度d在相同數量級的情況下,導體單位長度的複數阻抗為
式中Jo及J1為零價和一價第一類貝塞爾函式。
(3)寬度為b、厚度τ
b的矩形截面導電薄片,其單位長度的阻抗為
趨膚效應使導體電阻及損耗增大,使其內部基本不起導電作用。因此,載有高頻電流的導體常做成管狀,或在陶瓷基片上鍍以薄金屬膜。載有較大工頻交流以致截面較大的導體則常做成扁矩形截面以減少趨膚效應的影響。趨膚效應可以用於金屬表面的硬化處理以及膠合板的烘乾。
載有交流電的導體,其磁場還會影響到與它相距較近的其他載流導體,使電流及磁通分佈不均勻,使導體電阻加大,稱為鄰近效應。不過鄰近效應比趨膚效應影響小得多,只在特殊情況下才需考慮。
參考書目
馮慈璋主編:《電磁場》,人民教育出版社,北京,1979。
簡柏敦編:《導電與導磁物質中的電磁場》,高等教育出版社,北京,1982。