趋肤效应的理解

最近看赵修科老师写的<<开关电源磁性元器件>>里关于趋肤效应的理解

趋肤效应定义:

单根导线流过变动的电流时产生磁场,磁场又感生电动势,感生电动势产生的电流与导线中间的电流由于方向相反相互抵消,表面由于方向相同进行叠加.

我不明白,为什么导线中间与边沿之间会有感生电流回路呢?

文中说是根据电磁感应定律得出的,电磁感应定律是只是说磁场产生感应电动势,由感应电动势产生的电流产生的磁通阻止原磁通,请高手指点一下.

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abccba

LV.9

2013-11-08 17:24

楼主不妨把这根清宫柱子般的导线，换成清朝大姑娘的辫子般的1000根细导线，想想里，再想想外。

tvro

LV.13

2013-11-08 18:02

趋肤效应[2] 亦称为“集肤效应”。

趋肤效应课件

交变电流(alternating electric current, AC)通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，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

交变磁场会在导体内部引起涡流，电流在导体横截面上的分布不再是均匀的，这时，电流将主要地集中到导体表面。这种效应称为趋肤效应。

利用趋肤效应，在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些，但是并不影响输电性能，又可增大输电线的抗拉强度。利用趋肤效应还可对金属表面淬火，使某些钢件表皮坚硬、耐磨，而内部却有一定柔性，防止钢件脆裂。

tvro

LV.13

2013-11-08 18:02

@tvro

趋肤效应[2]亦称为“集肤效应”。[图片] 趋肤效应课件交变电流(alternatingelectriccurrent,AC)通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，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交变磁场会在导体内部引起涡流，电流在导体横截面上的分布不再是均匀的，这时，电流将主要地集中到导体表面。这种效应称为趋肤效应。利用趋肤效应，在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些，但是并不影响输电性能，又可增大输电线的抗拉强度。利用趋肤效应还可对金属表面淬火，使某些钢件表皮坚硬、耐磨，而内部却有一定柔性，防止钢件脆裂。

趋肤效应还可用电磁波向导体中透入的过程加以说明。电磁波向导体内部透入时，因为能量损失而逐渐衰减。当波幅衰减为表面波幅的e-1倍的深度称为交变电磁场对导体的透入深度。以平面电磁波对半无限大导体的透入为例，透入深度为方程式中ω为角频率,γ为导体的电导率，μ为磁导率。可见透入深度的大小与成反比。电磁波在导体中的波长为2z0，趋肤效应是否显著也可以由导体尺寸与其中电磁波波长的比较来判断。如果导体的厚度较导体中这一波长大，趋肤效应就显著。

对金属零件进行高频表面淬火，是趋肤效应在工业中应用的实例

投资者

LV.4

2013-11-08 19:24

@tvro

导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。在直长导体的截面上，恒定的电流是均匀分布的。对于交变电流，导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。以圆形截面的导体为例,愈靠近导体中心处,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大；愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响，因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加，趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效电阻变大。趋肤效应还可用电磁波向导体中透入的过程加以说明。电磁波向导体内部透入时，因为能量损失而逐渐衰减。当波幅衰减为表面波幅的e-1倍的深度称为交变电磁场对导体的透入深度。以平面电磁波对半无限大导体的透入为例，透入深度为方程式中ω为角频率,γ为导体的电导率，μ为磁导率。可见透入深度的大小与成反比。电磁波在导体中的波长为2z0，趋肤效应是否显著也可以由导体尺寸与其中电磁波波长的比较来判断。如果导体的厚度较导体中这一波长大，趋肤效应就显著。对金属零件进行高频表面淬火，是趋肤效应在工业中应用的实例

能简单的解释吗？

说了这么多，我看还是看不明白

tvro

LV.13

2013-11-08 19:30

@投资者

能简单的解释吗？说了这么多，我看还是看不明白

就是电流不走导线的里面全部改走表面了，导线心没有电流

chicony_yan

LV.5

2013-11-08 20:56

首先，你要看很多很多遍，然后在闭上眼睛慢慢地体会，回味……

是不是很香@@

我说说我的理解吧，希望你有更好的理解。。。

当导体通过高频电流i 时，变化的电流就要在导体内与导体外产生变化的磁场（我感觉赵老师说话还是蛮严谨的，提到了两个变化，有些人写的书就不突出这个，搞得人模棱两可），这个能看懂吧，如图所示，内部的1-2-3，外部的4-5-6……

现在，我们来想象，把这根导体切成很多很多片（如同面包片），然后又想象，其中每片都由很多很多闭合的线圈组成（一片面包的中间部分被你用刀挖掉了）；

变化的磁场就在这样的线圈中产生感应电流，根据‘右手定律’，我们就可以知道感应电流的方向了。如图中所示，如果L是一个线圈，那么在内部变化的磁场1-2-3的作用下，就产生e->f->d->e的感应电流。同理，N线圈也一样。

再看电流的方向，主电流是O->A方向，在L、N中，与O->A方向流向相同的有e->f, b->a;

与O->A方向相反的有d->e, c->b.

同向叠加，反向相减，最后就表现为靠外侧的电流大，靠内部中心的电流小（总和是不变的^-^）。

打字好麻烦，你再去想想吧~~

风定人非在

LV.6

2013-11-08 21:16

@tvro

shwei_001

LV.3

2013-11-09 09:24

@chicony_yan

首先，你要看很多很多遍，然后在闭上眼睛慢慢地体会，回味……是不是很香@@我说说我的理解吧，希望你有更好的理解。。。当导体通过高频电流i时，变化的电流就要在导体内与导体外产生变化的磁场（我感觉赵老师说话还是蛮严谨的，提到了两个变化，有些人写的书就不突出这个，搞得人模棱两可），这个能看懂吧，如图所示，内部的1-2-3，外部的4-5-6……现在，我们来想象，把这根导体切成很多很多片（如同面包片），然后又想象，其中每片都由很多很多闭合的线圈组成（一片面包的中间部分被你用刀挖掉了）；变化的磁场就在这样的线圈中产生感应电流，根据‘右手定律’，我们就可以知道感应电流的方向了。如图中所示，如果L是一个线圈，那么在内部变化的磁场1-2-3的作用下，就产生e->f->d->e的感应电流。同理，N线圈也一样。再看电流的方向，主电流是O->A方向，在L、N中，与O->A方向流向相同的有e->f,b->a;与O->A方向相反的有d->e,c->b.同向叠加，反向相减，最后就表现为靠外侧的电流大，靠内部中心的电流小（总和是不变的^-^）。打字好麻烦，你再去想想吧~~

感谢大家的的耐心回答,总算有了新的认识,但新的问题又来了:

即然这个切片的电流都向边上流,中间相当与被挖空了,那么铜铂其实也是你所说的切片,也就是说铜铂也存在集肤效应吗?我好像记得很多书上说改善集肤效应可以用铜铂的.

chicony_yan

LV.5

2013-11-09 10:56

@shwei_001

感谢大家的的耐心回答,总算有了新的认识,但新的问题又来了:即然这个切片的电流都向边上流,中间相当与被挖空了,那么铜铂其实也是你所说的切片,也就是说铜铂也存在集肤效应吗?我好像记得很多书上说改善集肤效应可以用铜铂的.

不懂铜箔如何在变压器中替代线圈？

我看见的只有处理EMI时会在一次侧绕组与二次侧绕组之间，或者变压器最外面加一层铜箔，这里的铜箔只是起到屏蔽作用。当然，由于加这样的铜箔比较耗费人力，所以如果可以的话，设计者一般会用线圈替代（就是绕一层线来替代铜箔），但这个效果会比铜箔差一点。

如果按照你上面所说的思路，铜箔确实是可以看做由无数小切片组成（如果每片切片够薄的话），可是铜箔本身已经很薄了，集肤深度有个公式δ=7.6/(f)^0.5,也就是说频率f越小，δ越大，线的利用率越高；

如果在这个频率下，铜箔的厚度小于δ，那么就不用考虑其集肤效应了。

所以，你可以把铜箔看做是把同等截面积的导线压扁，这样就薄了……

hjz007

LV.5

2013-11-09 15:14

集中参数电路里是把导体理想化的.认为电场在导体里面为0, 电流在导体截面上均匀分布.

那只是科普,高中学习一下, 不能拿来挣钱养家糊口.

到大学了, 学电磁场与波, 才知道, 金属导线也和木头一样, 有电阻的. 电场磁场的分布需要满足麦克斯韦方程条件.

电子也不是民主社会里的公民可以自由迁徙. 都是按某些规律在导体里分布的.

流动的电流一定形成磁场, 磁场一定影响电子流动. 电子流动为什么一定要在表面?实际上是金属内部也流动,只是内部流动会互相抵消, 而表面抵消少了一半真空部分, 这就形成了麦克斯方程里的边界条件. 所以电流就表现在表面流动.

shwei_001

LV.3

2013-11-10 13:10

@chicony_yan

不懂铜箔如何在变压器中替代线圈？我看见的只有处理EMI时会在一次侧绕组与二次侧绕组之间，或者变压器最外面加一层铜箔，这里的铜箔只是起到屏蔽作用。当然，由于加这样的铜箔比较耗费人力，所以如果可以的话，设计者一般会用线圈替代（就是绕一层线来替代铜箔），但这个效果会比铜箔差一点。如果按照你上面所说的思路，铜箔确实是可以看做由无数小切片组成（如果每片切片够薄的话），可是铜箔本身已经很薄了，集肤深度有个公式δ=7.6/(f)^0.5,也就是说频率f越小，δ越大，线的利用率越高；如果在这个频率下，铜箔的厚度小于δ，那么就不用考虑其集肤效应了。所以，你可以把铜箔看做是把同等截面积的导线压扁，这样就薄了……

1.我见过大功率的电感和变压器有用铜铂做线圈的

2.由于铜线的截面是圆的,所以各个方向的趋肤效应是一样的,但铜铂的截面是矩形,从厚度这个面来看,由于很薄,所以趋肤效应少,但从宽度这个面来看,我觉得应该是很大的趋肤效应