• 集膚效應

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    集膚效果

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    集膚效應是交流電 (AC) 在導體內分布的趨勢,使得電流密度在導體表面附近xxx,并隨著導體深度的增加呈指數下降。 電流主要在導體的表皮處流動,在外表面和稱為趨膚深度的水平之間。 趨膚深度取決于交流電的頻率; 隨著頻率的增加,電流流向表面,導致趨膚深度變小。 集膚效應減小了導體的有效橫截面,從而增加了它的有效電阻。 集膚效應是由交流電引起的變化磁場引起的反向渦流引起的。 在 60 赫茲的銅中,趨膚深度約為 8.5 毫米。 在高頻下趨膚深度變得更小。

    使用特殊編織的利茲線可以減輕趨膚效應引起的交流電阻增加。 由于大導體的內部承載的電流很小,因此可以使用管道等管狀導體來減輕重量和成本。 趨膚效應在射頻和微波電路、傳輸線(或波導)和天線的分析和設計中具有實際影響。 在交流輸電和配電系統的電源頻率 (50–60 Hz) 下,它也很重要。 這是遠距離輸電首選高壓直流電的原因之一。

    原因

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    通常為電線形式的導體可用于使用流過該導體的交流電來傳輸電能或信號。 構成該電流的電荷載流子,通常是電子,由于電能的來源而被電場驅動。 導體中的電流在導體內部和周圍產生磁場。 當導體中的電流強度發生變化時,磁場也會發生變化。 反過來,磁場的變化會產生一個電場,該電場與電流強度的變化相反。 這種相反的電場稱為“反電動勢”(反電動勢)。 反電動勢在導體中心xxx,迫使導電電子向導體外部移動,如右圖所示。

    無論驅動力如何,導體表面的電流密度xxx,導體深處的電流密度減小。 電流密度的下降被稱為趨膚效應,趨膚深度是電流密度在表面附近下降到其值的 1/e 時的深度的量度。超過 98% 的電流將在第 4 層內流動 乘以距表面的趨膚深度。 這種行為與直流電的行為不同,后者通常會均勻分布在導線的橫截面上。

    根據感應定律,交變磁場也可能在導體中感應出交變電流。 因此,撞擊導體的電磁波通常會產生這樣的電流; 這解釋了金屬對電磁波的反射。 盡管趨膚效應一詞最常與涉及電流傳輸的應用相關聯,但趨膚深度還描述了當平面波撞擊時散裝材料內部電場和磁場的指數衰減以及感應電流的密度 在正常發生率上。

    集膚效應

    公式

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    導體中的交流電流密度 J 從其在表面的值 JS 根據距離表面的深度 d 呈指數下降,如下所示:

    J = J S e ? ( 1 + j ) d / δ {\displaystyle J=J_{\mathrm {S} }\,e{-{(1+j)d/\delta }}}

    其中 δ {\displaystyle \delta } 稱為趨膚深度。 因此,趨膚深度定義為電流密度降至 JS 的 1/e(約 0.37)時導體表面以下的深度。 指數的虛部表示電流密度的相位對于每個透膚深度延遲 1 弧度。 導體中的一個完整波長需要 2π 趨膚深度,此時電流密度衰減至其表面值的 e?2π(1.87×10?3,或 ?54.6 dB)。 導體中的波長比真空中的波長短得多,或者等效地,導體中的相速度比真空中的光速慢得多。 例如,1 MHz 的無線電波在真空中的波長 λo 約為 300 米,而在銅中,波長縮短至僅約 0.5 毫米,相速度僅為約 500 米/秒。

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    2. 原因
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