趋肤效应&邻近效应
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趋肤效应
趋肤效应:当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。频率越高,趋肤效用越显著。
原因:如图1所示,当导体通过高频电流i时,变化的电流就要在导体内和导体外产生变化的磁场(图中1-2-3和4-5-6)垂直于电流方向。根据电磁感应定律,高频磁场在导体内沿长度方向的两个平面L和N产生感应电动势。此感应电势在导体内沿长度方向产生的涡流(a-c-b-a和d-e-f-d)阻止磁通的变化。可以看到涡流的a-b和e-f边与主电流O-A方向一致,而b-c边和d-e边与O-A相反。这样的主电流和涡流之和在导体表面加强,越向导线中心越弱,电流趋向于导体表面。
通过Maxwell2D进行趋肤效应仿真,结果如下图2。
在直流电路中,均匀导体横截面上的电流密度是均匀的。仿真结果如下图3。
应用: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。在工业应用方面,利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。考虑到交流电的集肤效应,为了有效地利用导体材料和便于散热,发电厂的大电流母线常做成槽形或菱形母线;另外,在高压输配电线路中,利用钢芯铝绞线代替铝绞线,这样既节省了铝导线,又增加了导线的机械强度,这些都是利用了集肤效应这个原理。
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邻近效应
邻近效应: 当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时,电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。
原因:如图4,双线传输线的两根导线分别通过方向相反的交流电流时,各自产生的交变磁场相互在相邻的另一根导线上产生涡流。这种由相邻导线上的电流在本导线激发的涡流与本导线原有的工作电流叠加,使导体中的实际电流分布向截面中接近相邻导线的一侧(内侧)集中。
分别对相邻导线通反向交变电流和相邻导线通同向交变电流进行仿真,结果见下图5和图6。
图5 相邻导线通反向交变电流
趋肤效应与邻近效应在传输线中往往是孪生现象,其结果都是使导体的有效电阻增加,工作衰减增大。