詳細(xì)解讀趨膚效應(yīng)重點(diǎn)知識(shí)

何謂趨膚效應(yīng)？
從字面上我們不難發(fā)現(xiàn)，“趨膚”就是趨向于肌膚，膚可以理解為表面，即趨向于表面的效應(yīng)。具體為：

當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際并沒(méi)有任何電流，電流集中在臨近導(dǎo)體外表的一薄層，這一現(xiàn)象我們稱(chēng)之為趨膚效應(yīng)，也叫集膚效應(yīng)。

趨膚效應(yīng)的影響
那么趨膚效應(yīng)是好是壞呢？在長(zhǎng)直導(dǎo)體的截面上，恒定的電流時(shí)均勻分布的；而對(duì)于交變電流，導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)自感電動(dòng)勢(shì)來(lái)阻止電流的通過(guò)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于導(dǎo)體單位時(shí)間內(nèi)所切割的磁通量。我們以截面為圓形的導(dǎo)體為例，愈靠近導(dǎo)體中心的地方，受到外面磁力線產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)愈大；愈靠近表面處則不受其內(nèi)部磁力線消長(zhǎng)的影響，自感電動(dòng)勢(shì)較小。這就導(dǎo)致了趨近導(dǎo)體表面處電流密度較大。

由于自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨著頻率的增大而增加，趨膚效應(yīng)隨頻率的變化也越為顯著。當(dāng)頻率很高的電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過(guò)，也就是說(shuō)導(dǎo)線的有效截面積減小，從而等效電阻增大，增大了線損，也降低了材料的有效利用率。

趨膚效應(yīng)細(xì)說(shuō)
在計(jì)算導(dǎo)線的電阻和電感時(shí)，我們假設(shè)電流是均勻分布在截面上的，而這一假設(shè)僅僅在導(dǎo)體內(nèi)電流變化率 di/dt 為零時(shí)才成立；或者說(shuō)，導(dǎo)線流過(guò)直流時(shí)，能保證電流密度是均勻的，只要電流變化率很小，我們都可以認(rèn)為電流分布是均勻的。

但在高頻電路中，電流變化率是較大的，不均勻分布的狀態(tài)較為嚴(yán)重。高頻電流在導(dǎo)線中產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導(dǎo)線的中心區(qū)域產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以在導(dǎo)線中心的感應(yīng)電流最大。因?yàn)楦袘?yīng)電流總是在減小原有電流的流過(guò)，迫使原有電流只能靠近導(dǎo)線外表面處。趨膚效應(yīng)使得導(dǎo)線型傳輸線在高頻時(shí)效率很低，信號(hào)衰減很大。
如下圖所示：

當(dāng)導(dǎo)體通過(guò)高頻電流時(shí)，變化的電流就要在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，如圖中的 1-2-3 和 4-5-6。垂直于電流方向。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，高頻磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向的兩個(gè)平面 L 和 N 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生的渦流，如圖 a-b-c-a 和 d-e-f-d，來(lái)阻止磁通的變化。我們可以看到，渦流的 a-b 和 e-f 邊與主電流 O-A 的方向一致，而 b-c 和 d-e 邊與之相反。這樣的主電流和渦流之和在導(dǎo)體表面加強(qiáng)，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨于導(dǎo)體的表面，此乃趨膚效應(yīng)。

趨膚深度
我們定義從導(dǎo)體表面到電流密度下降到導(dǎo)體表面電流密度的 0.368（即 1/e）的厚度為趨膚深度或者穿透深度Δ。即認(rèn)為導(dǎo)體表面下深度為Δ的厚度導(dǎo)體流過(guò)全部電流，而在Δ外的導(dǎo)體不流過(guò)電流（在不規(guī)則導(dǎo)體中，趨膚深度以最窄邊為準(zhǔn)）。

Δ與頻率和導(dǎo)線物理參數(shù)的關(guān)系為Δ=√(2K/ωμγ)

其中，μ為導(dǎo)體材料的磁導(dǎo)率；γ=1/ρ為材料的電導(dǎo)率；K 為材料電導(dǎo)率的溫度系數(shù)；

如：銅的μ=μo=4π*10∧-7H/m；20℃時(shí)，ρ=0.01724×10-6 Ω/m，電阻率溫度系數(shù)為 1/234.5（1/℃），Κ=(1+(T-20)/234.5)，T 為導(dǎo)線溫度。

下面給出幾種導(dǎo)體的趨膚深度Δ

降低趨膚效應(yīng)的方法

現(xiàn)在看來(lái)，趨附效應(yīng)是不利的，那么如何來(lái)降低其帶來(lái)的影響呢？

由于趨膚效應(yīng)的存在，使得導(dǎo)線的有效截面積減小，導(dǎo)線對(duì)于交流電流的電阻大于導(dǎo)線電阻(指對(duì)直流的電阻)，只有導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)面積和本身截面積相等時(shí)，導(dǎo)線的交流電阻最小，此時(shí)有：

Sf=S，Rac=Rdc

其中，Sf 為交流趨膚效應(yīng)面積；S 為導(dǎo)線截面積；Rac 為交流電阻；Rdc 為直流電阻。

所以，降低趨膚效應(yīng)電阻的最直接方法時(shí)改變導(dǎo)線截面積的形狀，盡量使得趨膚效應(yīng)面積和導(dǎo)線的截面積相等。

這里我們需要注意，在計(jì)算圓導(dǎo)線和扁導(dǎo)線的交流電阻時(shí)，設(shè)定趨膚深度條件為小于圓線半徑或扁線窄邊高度的 1/2，在趨膚深度大于此設(shè)定時(shí)，計(jì)算趨膚效應(yīng)電阻是沒(méi)有意義的！

根據(jù)上述理念，下面介紹了三種措施：

①用多股細(xì)線并聯(lián)來(lái)代替單根導(dǎo)線；

②使用帶狀導(dǎo)線；

③利用管和金屬箔，具體如下圖