当直流电流通过导线时,电流在导线截面上是均匀分布的。但当通过交流电特别是高频交流电时,电流分布就不再是均匀的,而是越接近导线表面处电流密度越大,越靠近导线中心,则电流密度越小,这种现象称为交流电流的趋肤效应。
交流电流趋肤效应的产生可以用下图加以解释。
上图是一个放大的圆形导线截面,可以想象它是由许多截面相同的“细导线”扎在一起而组成。当交流电流通过导线时,由于对称的关系,磁力线在导线内外都是一些同心圆,如上图中虚线所示。当磁通变化时,就要在各细导线中引起感应电动势。对于靠近导线中心的细导线(图中A处)所有的磁力线都将与之环链,因而A处的感应电动势就大。这就相当于A处的电感大,感抗大。而对于导线边缘的细导线(图中B处),仅外部磁力线与之环链,内部磁通则不与它环链,因此当磁通变化时,感应电动势就小,相当于B处的电感小、感抗小。这样,靠近中心处感抗大,电流就小。越接近边缘,感抗逐渐减小,电流密度也逐渐增大,形成了电流的趋肤效应。
由于趋肤效应的影响,高频电流比较集中地分布在导线表面,而导线内部电流密度较小。在频率很高的情况下,导线中心几乎没有电流,这实际上等于减少了导线的有效截面,所以导线电阻增大了。这种现象随着频率的增高和导线截面的加大而更为显著。因此导线对直流的电阻(欧姆电阻)和对交流的电阻(有效电阻)在数值上是有差别的。
在50Hz工频电流情况下,铜导线的直径若不超过1cm,有效电阻与欧姆电阻的比值为1.0017。这时由于趋肤效应而增加的电阻很小,常常忽略不计。而在高频电流情况下,有效电阻将成倍地增加。为了充分利用有色金属,通过高频电流的导线常做成管形。有时则将多股互相绝缘的导线紧密地绞合在一起,制成编织线使用。在长距离传输线上,如果传输的信号频率很高,这时由于趋肤效应显著,传输线损耗大大增加,因而对传输的信号频率有一定的限制。
交流电流的趋肤效应也可以为人们所利用。工业上的高频淬火以及金属表面硬化处理等,就是应用趋肤效应的实际例子。
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