什麼是交流電的趨膚效應

2021-01-18 電工技術

　　當直流電通過導體時，其內部的電流密度是均勻分布的。但當其通過交流電時，流動電荷會漸漸嚮導體邊緣靠近，導體邊緣的電流密度要大於導體中心的電流密度，甚至中心將沒有電流通過。這一現象稱為交流電的趨膚效應。趨膚效應與交流電的頻率密切相關，頻率越高這一現象將愈加明顯。

　　在直長導體的截面上，恆定的電流是均勻分布的。對於交變電流，導體中出現自感電動勢抵抗電流的通過。這個電動勢的大小正比於導體單位時間所切割的磁通量。以圓形截面的導體為例,愈靠近導體中心處,受到外面磁力線產生的自感電動勢愈大；愈靠近表面處則不受其內部磁力線消長的影響，因而自感電動勢較小。這就導致趨近導體表面處電流密度較大。由於自感電動勢隨著頻率的提高而增加，趨膚效應亦隨著頻率提高而更為顯著。趨膚效應使導體中通過電流時的有效截面積減小，從而使其有效電阻變大。

　　趨膚效應還可用電磁波嚮導體中透入的過程加以說明。電磁波嚮導體內部透入時，因為能量損失而逐漸衰減。當波幅衰減為表面波幅的e-1倍的深度稱為交變電磁場對導體的透入深度。以平面電磁波對半無限大導體的透入為例，透入深度為方程式中ω為角頻率,γ為導體的電導率，μ為磁導率。可見透入深度的大小與成反比。電磁波在導體中的波長為2z0，趨膚效應是否顯著也可以由導體尺寸與其中電磁波波長的比較來判斷。如果導體的厚度較導體中這一波長大，趨膚效應就顯著。

　　趨膚效應使導體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應越顯著。當頻率很高的電流通過導線時，可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過，這等效於導線的截面減小，電阻增大。既然導線的中心部分幾乎沒有電流通過，就可以把這中心部分除去以節約材料。因此，在高頻電路中可以採用空心導線代替實心導線。此外，為了削弱趨膚效應，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導線編織成束來代替同樣截面積的粗導線（例如收音機中波磁棒天線上的高頻線圈，是多股紗包線），這種多股線束稱為辮線。在工業應用方面，利用趨膚效應可以對金屬進行表面淬火。

　　交變磁場會在導體內部引起渦流，電流在導體橫截面上的分布不再是均勻的，這時，電流將主要地集中到導體表面。這種效應稱為趨膚效應。電流的頻率愈高，趨膚效應越明顯。利用趨膚效應，在高頻電路中可用空心銅導線代替實心銅導線以節約銅材。架空輸電線中心部分改用抗拉強度大的鋼絲。雖然其電阻率大一些，但是並不影響輸電性能，又可增大輸電線的抗拉強度。利用趨膚效應還可對金屬表面淬火，使某些鋼件表皮堅硬、耐磨，而內部卻有一定柔性，防止鋼件脆裂。


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