趋肤效应趋肤效应的影响 ppt课件
通电导线趋肤效应的原因_概述及解释说明
通电导线趋肤效应的原因概述及解释说明1. 引言1.1 概述通电导线趋肤效应是指当电流通过导线时，高频信号会更倾向于沿着导线表面传播，而不是整个导线截面上均匀分布。
这一现象广泛应用于无线通信、电力输送以及电路设计等领域，并对电流的传输和信号质量有着重要的影响。
1.2 文章结构本文将首先对通电导线趋肤效应进行定义与背景介绍。
然后，我们将深入探讨与该现象相关的电磁感应定律和高频信号与电流分布之间的关系。
接下来，我们将解释趋肤效应的物理原因，包括电流密度分布和电场分布之间的关系以及磁场对导线的影响。
最后，我们将讨论影响趋肤效应的因素，包括材料特性参数、导线几何形状以及频率等因素。
最后，在结论部分对文章要点进行总结，并探讨该现象在实际应用中的意义和展望。
1.3 目的本文旨在全面介绍通电导线趋肤效应的原因，并解释其物理机制。
通过对相关理论和实证研究的综合分析，我们将揭示趋肤效应在电流传输中的重要性，并探讨其在不同领域中的实际应用价值。
希望通过本文的阐述，读者能够更深入理解通电导线趋肤效应，并为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考和启发。
2. 通电导线趋肤效应的原因2.1 定义与背景通电导线趋肤效应是指在交流电流通过导体时，电流主要分布在导线的表面附近，几乎不通过导线的内部。
这种现象由于导体表面阻抗较低而导致了频率较高的电流主要集中在表面上。
该效应常出现在高频、大口径和良好导电性能的导线中。
2.2 电磁感应定律通电导线趋肤效应可以通过安培-麦克斯韦定律和法拉第定律来解释。
根据法拉第定律，变化的磁场会诱发闭合回路中产生感应电动势，进而引起感应电流。
因此，在交变电场或磁场下，导线表面会有感应电动势产生，并促使交变电流主要分布在表面附近。
2.3 高频信号与电流分布高频信号对趋肤效应具有明显影响。
随着信号频率的增加，射频干扰和能量损耗也会增加。
由于高频信号周期短暂且变化迅速，感应作用更强烈，导致电流主要分布在导线表面。
趋肤效应和穿透深度
二、导体内的电磁波
kx kx kx
k (0) x
kx
x
ix
(3.18)
由于在真空中的
k
(0)为实数，因此有
x
x 0
x kx kx(0)
二、导体内的电磁波
即矢量α垂直于金属表面。但是矢量β有x分
量，由(3.17)和(3.18)式即可解出αz和βz。因而
可以确定矢量α和β。
三、趋肤效应和穿透深度
四、电磁波在导体表面上的反射
n (E 2 E1) 0 （3.26） n (H 2 H1) 0
E E E H H H
四、电磁波在导体表面上的反射
在真空中
H 1 kE
H 0 E 0
H 0 E 0
四、电磁波在导体表面上的反射
H 1 ( i )n E
1 (1 i)n E 2
2
)
2
（3.20）
三、趋肤效应和穿透深度
对于良导体的情况下，（σ/εω）>>1，故
[1
1
]2
2
2
（3.21）
(1)穿透深度δ 波幅降到原来值的1/e的距离叫做穿透深度。
z=1/α=δ
三、趋肤效应和穿透深度
1 2
(3.22)
由此可见，穿透深度与电导率和频率的平方根成 反比。
对于金属铜来说，σ～5×107西门子/米，当 f =50Hz时，δ～0.9cm
(3.5)
式中ρ0为t=0时刻的电荷密度。上式表明，导体内的
电荷密度随时间作指数规律衰减。
一、导体内的自由电荷分布
τ在数值上等于ρ从ρ0衰减到ρ0/e所用的时间，
1
1
(T )
(3.6)
导体的集肤效应
集肤效应集肤效应又叫趋肤效应,当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。
是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。
目录电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。
集肤效应是电磁学，涡流学（涡旋电流）的术语。
这种现象是由通电铁磁性材料，靠近未通电的铁磁性材料，在未通电的铁磁性材料表面产生方向相反的磁场，有了磁场就会产生切割磁力线的电流，这个电流就是所谓的涡旋电流，这个现象就是集肤效应。
编辑本段计算公式我们可以计算交变电流集肤效应的深度：δ=1/sqrt(1/2*w*σ*μ)其中，w是交流电频率，σ是导体电导率，μ是导体磁通率。
编辑本段影响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。
编辑本段效应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集肤效应是在讯号线里最基本的失真作用过程之一，也有可能是最容易被忽略误解的。
与一般讯号线的夸大宣传所言,集肤效应并不会改变所有的高频讯号,并且不会造成任何相关动能的损失。
正好相反，集肤效应会因传导体的不同成分，在传递高频讯号时有不连贯的现象。
同样地，在陈旧的线束传导体上，集肤效应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动，对于声音造成刺耳的记号。
编辑本段电流的集肤效应第一，电子在导体内总是沿着阻力最小的路线流动。
在导体表面及近表层的结构元与导体表面基本平行，电子在其间换位流动阻力较小。
而在导体内部结构元呈上下、左右、前后空间排列，电子在其间定向流动要受到五个方向的阻力，（而在表面只有三个方向的阻力）可见电子在导体表层附近运行的阻力要比在内部小得多，这样就导致了电流的集肤效应。
集肤效应
集肤效应1。
解释集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。
电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。
频率越高，趋肤效用越显著。
因为当导线流过交变电流时，在导线内部将产生与电流方向相反的电动势？？。
由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。
这样作用的结果，电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。
集肤效应是电磁学，涡流学（涡旋电流）的术语。
这种现象是由通电铁磁性材料，靠近未通电的铁磁性材料，在未通电的铁磁性材料表面产生方向相反的磁场，有了磁场就会产生切割磁力线的电流，这个电流就是所谓的涡旋电流，这个现象就是集肤效应。
2。
影响及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。
集肤效应是在讯号线里最基本的失真作用过程之一，也有可能是最容意被忽略误解的。
与一般讯号线的夸大宣传所言,集肤效应并不会改变所有的高频讯号,并且不会造成任何相关动能的损失。
正好相反，集肤效应会因传导体的不同成分，在传递高频讯号时有不连贯的现象。
同样地，在陈旧的线束传导体上，集肤效应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动，对于声音造成刺耳的记号。
skin effect定义在计算导线的电阻和电感时，假设电流是均匀分布于他的截面上。
严格说来，这一假设仅在导体内的电流变化率（di/dt）为零时才成立。
趋肤效应和穿透深度
一、导体内的自由电荷分布
D
E
（3.1）
J E
E J
（3.2）
J ,
,
一、导体内的自由电荷分布
J
(3.3)
(3.3)式表明，在导体内凡是有正电荷存在的地方， 就有电流向外流出，直到流完为止。
一、导体内的自由电荷分布 由电荷守恒定律
z i z it
J ( x, t ) E( x, t ) E0 ( x, y)e
电流只分布在表面附近厚度为
1
电流看作面电流分布，面电流的线密度 f定义为通过
的薄层内，薄层内的
单位横截线的电流，即等于薄层内 J 对 z 的积分。
f Jdz E0 e z i z dz
(3.11)
k
(3.12)
二、导体内的电磁波
方程（3.11）形式上也有平面波解
E (x ) E 0 e
i k x
由于k是一个复矢量，因) E 0 e
β和α都是实数矢量。
α x i ( β x t )
（3.26）
E E E H H H
四、电磁波在导体表面上的反射
H
1
k E
在真空中
0 H E 0
0 H E 0
四、电磁波在导体表面上的反射
H 1
1
( i )n E (1 i) n E
第四章 平面电磁波的传播
§1 平面电磁波
§2 电磁波在介质面上的反射和折射
§3 有导体存在时电磁波的传播
§4 谐振腔
§5 波导
§3 有导体存在时电磁波的传播
趋肤效应原理
趋肤效应原理
趋肤效应原理，指的是人类对于与自身相似特征的事物更感兴趣，更容易产生亲近感。
这一原理在心理学中被广泛探讨，并且被应用于各个领域。
在人际关系中，趋肤效应原理解释了为什么人们更喜欢与和自己相似的人建立关系。
例如，同样是年轻人的交往更加频繁，因为他们有着相似的兴趣爱好和生活经历。
人们更容易产生共鸣和理解，从而更容易建立起亲密关系。
在广告和市场营销领域，趋肤效应原理被用来吸引消费者的注意力并提高产品的销售。
通过展示与目标消费者相似的形象、背景和价值观，营销策略可以激发消费者的共鸣，增加他们对产品的认同感，并促使他们购买。
此外，趋肤效应原理还被应用于教育领域。
教师可以通过与学生建立亲和力，更好地理解和满足他们的需求。
在教育环境中，趋肤效应可以促进学生参与课堂活动、加强学习效果。
总之，趋肤效应原理指出人们更倾向于与与自己相似的事物建立联系，这一原理在人际关系、市场营销和教育等领域都有重要应用。
通过了解和利用这一原理，我们可以更好地与他人建立关系，提高产品的销售和促进学习效果。
集肤效应、邻近效应、边缘效应、涡流损耗!.pdf
一、集肤效应1.1集肤效应的原理集肤效应也称趋肤效应，图1.1表示了集肤效应的产生过程。
图中给出的是载流导体纵向的剖面图，当导体流过电流（如图中箭头方向）时，由右手螺旋法则可知，产生的感应磁动势为逆时针方向，产生进入和离开剖面的磁力线。
如果导体中的电流增加，则由于电磁感应效应，导体中产生如图所示方向的涡流。
由图可知：涡流的方向加大了导体表面的电流，抵消了中心线电流，这样作用的结果是电流向导体表面聚集，故称为集肤效应。
在此引进一个集肤深度〈skin depth〉的概念，此深度的电流密度大小恰好为表面电流密度大小的1/e倍：一般用集肤深度Δ来表示集肤效应，其表达式为：其中：γ为导体的电导率，μ为导体的磁导率，f为工作频率。
图1.1.集肤效应产生过程示意图图1.2.高频导体电路密度分布图高频时的导体电流密度分布情形，大致如图1.2所示，由表面向中心处的电流密度逐渐减小。
由上图及式1.1可知，当频率愈高时，临界深度将会愈小，结果造成等效阻值上升。
因此在高频时，电阻大小随着频率而变的情形，就必须加以考虑进去。
1.2影响及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。
集肤效应是在讯号线里最基本的失真作用过程之一，也有可能是最容意被忽略误解的。
与一般讯号线的夸大宣传所言,集肤效应并不会改变所有的高频讯号,并且不会造成任何相关动能的损失。
正好相反，集肤效应会因传导体的不同成分，在传递高频讯号时有不连贯的现象。
同样地，在陈旧的线束传导体上，集肤效应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动，对于声音造成刺耳的记号。
趋肤效应及相关
趋肤效应导线内部实际上电流很小,电流集中在临近导线外表的一薄层。结果使它的电阻增加。导线电阻的增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。
目录
Байду номын сангаас
定义
趋肤效应简介
趋肤效应解析
趋肤效应实验实验目的
实验器材
实验原理
实验操作与现象
注意事项
中文名称：趋肤效应 英文名称：skin effect 其他名称：集肤效应 定义：对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大，电感减小。 所属学科：电力（一级学科）；通论（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
编辑本段趋肤效应解析
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。
铜箔的趋肤效应和低粗糙铜
铜箔的趋肤效应和低粗糙铜
铜箔的趋肤效应在导线中表现为当频率提高时，电流会趋向于导线的表面，这是由于高频电流的集肤深度减小，使得电流更靠近导线表面。
由于这一效应，导线的电阻会增大，进而导致更大的导体损耗。
对于趋肤效应的影响，我们可以通过增加传输导体的表面积来降低损耗。
例如，可以使用多芯导线代替单根实心导线，或者使用空心导线传输交流电。
至于铜箔的粗糙度，它对趋肤效应也有影响。
粗糙的表面相当于增加了电流传播路径的长度，从而导致更大的电阻性损耗。
特别是在高频情况下，趋肤深度变小，这可能使得铜箔的粗糙度对损耗的影响更为显著。
为了降低这种损耗，需要使用低粗糙度的铜箔。
例如，在高速产品中，通常会选择使用低粗糙度的铜箔。
常规电解铜的表面粗糙度约为5um，这对于5GHz左右的信号可能不会有太大影响。
然而，随着频率的提高，趋肤深度减小，低粗糙度的铜箔变得更加重要。
总的来说，为了应对趋肤效应和低粗糙铜箔的影响，需要采取相应的措施来降低损耗。
这些措施可能包括使用多芯导线代替单根实心导线、使用空心导线传输交流电以及使用低粗糙度的铜箔等。
电流趋肤效应公式
电流趋肤效应公式摘要：一、电流趋肤效应的定义二、电流趋肤效应的原因1.高频电磁场的影响2.导线表面电阻的影响三、电流趋肤效应的公式1.直流电流趋肤效应公式2.交流电流趋肤效应公式四、电流趋肤效应的应用1.电力传输和变压器设计2.电磁兼容性设计五、电流趋肤效应的影响因素1.导线材料2.电流频率3.环境温度正文：电流趋肤效应是指在高频电磁场或导线表面电阻存在的情况下，电流在导线内部的分布不是均匀的，而是集中在导线表面附近的现象。
这种现象在电力传输、变压器设计以及电磁兼容性设计等领域具有重要意义。
电流趋肤效应的原因主要有两个方面：一是高频电磁场的影响，当电磁场的频率接近或超过导线的临界频率时，电磁场会使得导线内部的电流产生趋肤效应；二是导线表面电阻的影响，导线表面的电阻会影响电流的传输，使得电流集中在表面附近。
在理论分析中，我们可以通过公式来表示电流趋肤效应。
对于直流电流，趋肤效应公式为I = I0 * (1 - r^2) / (1 + (r / λ)^2)，其中I0 是电流的峰值，r 是距离导线表面的距离，λ是导线的特征长度。
对于交流电流，趋肤效应公式较为复杂，需要考虑电磁场的影响以及导线表面的电阻等因素。
电流趋肤效应在实际应用中有着广泛的影响。
在电力传输和变压器设计中，了解电流趋肤效应有助于提高传输效率和优化变压器的设计。
在电磁兼容性设计中，考虑电流趋肤效应可以降低电磁干扰，提高设备的性能。
此外，电流趋肤效应的影响因素包括导线材料、电流频率以及环境温度等。
不同的导线材料和电流频率会导致不同的趋肤效应程度，而环境温度的变化也会影响趋肤效应的表现。
集肤效应
目录
定义
原理
计算公式
影响
效应
电流的集肤效应
效应
应用
集肤效应
编辑本段定义
集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应,表皮效应，当交变电流通过导体时，电流将趋于导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电流以较高的频率在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效应越显著。
其二，当电子在导线内移动时，在其运动的垂直方向伴生着磁场，（右手定则）其它电子在磁场的作用下向逐步向周边发散移动，于是移向了导线的表层附近，形成了电流的集肤效应。
其三，当然还有温度的影响：在导体内部，电阻产生的热不易散发，温度较高，价和电子运转的速率高，线路不是很扁平，这样就导致了电子通路相对窄小，电阻就高。在导体的表面，散热快、温度低，价和电子运转的速率低，线路扁平，这样就导致了电子通路相对宽大，而故导体表面电阻小，外来电子运行较快，这也是电流集肤的原因之一。 尖端放电当导体的某部分做得很细很尖时，尖端部分的表面积相对较大，换位移动到此的电子密度相对较大，在尖端部分甚至有些拥挤，有部分电子在拥挤中从尖端溢出，于是就导致了尖端放电现象。
编辑本段原理
因为当导线流过交变电流时，根据楞次定律会在导线内部产生涡流,与导线中心电流方向相反,。由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果，电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。
集肤效应大大减弱了课件
xx年xx月xx日
• 集肤效应简介 • 集肤效应的应用 • 集肤效应的减弱方法 • 集肤效应减弱的应用实例 • 未来展望与研究方向
目录
01
集肤效应简介
定义与特性
定义
集肤效应是一种物理现象，当交流电 通过导体时，电流会集中在导体的表 面层，而内部电流密度趋近于零。
特性
随着频率的增加，集肤效应更加明显 ，电流主要集中在导体的表面，且深 度随频率的增加而减小。
优化后的电磁炉设计能够更好地 控制温度，避免过热和火灾等安 全隐患。
金属加工工艺的改进
提高加工效率
通过减弱集肤效应，金属 加工过程中的热量控制更 为精确，从而提高加工效 率。
改善加工质量
由于热量的精确控制，加 工后的金属材料质量也得 到提高。
减少热损伤和变形
优化后的加工工艺能够减 少金属材料的热损伤和变 形，提高成品率。
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电磁屏蔽
减少电磁干扰
在电磁屏蔽中，集肤效应能够使电磁 波在金属表面反射，从而减少对周围 环境的干扰，起到电磁屏蔽的作用。
提高设备性能
通过利用集肤效应，可以有效地防止 电磁干扰对电子设备性能的影响，提 高设备的稳定性。
金属热处理
改变表面性质
在金属热处理过程中，集肤效应可以使热量更加集中地作用 于金属表面，改变表面的物理和化学性质，如硬度、耐磨性 和耐腐蚀性等。
提高处理效率
由于集肤效应的作用，热量能够更加集中地作用于金属表面 ，缩短了处理时间，提高了热处理的效率。
03
集肤效应的减弱方法
使用多股绞合线
总结词
通过将单股导线替换为多股绞合线，可以减小电流在导体表面的集中程度，从而降低集肤效应的影响 。
趋肤效应_集肤效应
一趋肤效应_集肤效应 交变电流通过导线时，电流在导线横截面上的分布是不均匀的，导体表面的电流密度大于中心的密度，且交变电流的频率越高，这种趋势越明显，该现象称为趋肤效应(skin effiect)，趋肤效应也称集肤效应。
趋肤效应（ skin effect），在“GB/T 2900.1-2008 电工术语 基本术语”中定义如下： 由于导体中交流电流的作用，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。
注1：随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大，电感减小； 注2：在更一般的情况下，任何随时间变化的电流都产生趋肤效应。
与趋肤效应同时存在的还有邻近效应，变频器输出含有丰富的高次谐波，高次谐波电流将在电机的绕组中产生邻近效应和趋肤效应及在铁芯中产生的谐波涡流损耗和谐波磁滞损耗不可忽视。
邻近效应的原理以及相关研究>>>趋肤效应原理 趋肤效应实际上是涡流的体现，涡流是电磁感应的一种体现方式，但是，某些文献简单的认为，由于电流流过导体时，导体中心处的磁感应强度大，因电磁感应产生的感应电动势大，根据楞次定理，感应电动势将阻碍电流的变化，这种说法是错误的。
以截面为圆形的长直导线为例，其磁场分布如下图1所示。
图1、截面积为圆形的长直导线内部磁场分布图 根据安培环路定理，磁场强度H沿闭合回路的线积分等于闭合回路包含的电流的代数和，与闭合回路之外的电流无关。
均匀材质的导体中，磁感应强度B与磁场强度成正比，选闭合回路为图中所述的各条磁力线，可知，越靠近导体中心，磁力线包围的电流越小，在导体轴线上，磁感应强度为零。
实际上，趋肤效应是涡流效应的结果，如图2所示：二三四图2、涡流与趋肤效应 如图，电流I流过导体，在I的垂直平面形成交变磁场，交变磁场在导体内部产生感应电动势，感应电动势在导体内部形成涡流电流i，涡流i的方向在导体内部总与电流I的变化趋势相反，阻碍I变化，涡流i的方向在导体表面总与I的变化趋势相同，加强I变化。
高速信号趋肤效应
高速信号趋肤效应1. 引言1.1 概述概述：随着科技的不断进步和应用的广泛普及，高速信号的传输已经成为现代电子系统中的关键技术之一。
高速信号指的是在电子器件和电路中传输的速度较快的信号，通常在几十兆赫兹（MHz）到几十千兆赫兹（GHz）的频率范围内。
而在高速信号的传输过程中，我们需要考虑及处理一种被称为趋肤效应的物理现象。
趋肤效应是指高频信号在导体中传输时，更容易沿着导体表面传播，而在导体内部的传播衰减较大的现象。
具体地说，趋肤效应是由于高频信号的频率较高，信号波长较小，导致信号在导体中传递时，电流主要集中在导体表面附近的一层非常薄的区域内，而在这一薄区域之外，电流衰减较快。
趋肤效应对高速信号的传输有着重要的影响。
首先，由于电流主要集中在导体表面附近，导致导体内部的导电面积减小，增加了电阻，导致信号传输的能量损耗增加。
其次，由于信号波长较短，容易受到干扰，信号的形状和品质可能会发生变化。
另外，趋肤效应还会影响信号的传输速率和传输距离。
为了充分理解和应对高速信号传输中的趋肤效应，需要深入研究趋肤效应的原理和影响因素，并在设计和优化高速电路和系统时，合理考虑趋肤效应的影响。
在接下来的正文部分，我们将介绍高速信号的定义和特点，并深入探讨趋肤效应的工作原理和对信号传输的影响。
最后，在结论部分，我们将总结高速信号趋肤效应的重要性，并展望未来的研究方向。
通过这篇文章的阅读，读者将可以更好地理解高速信号趋肤效应，并在实际应用中有所借鉴和应用。
1.2 文章结构文章结构部分内容：本文主要分为三个部分，分别是引言、正文和结论。
引言部分将介绍本文的概述、文章结构和目的。
首先，我们将对高速信号趋肤效应进行概述，简要介绍其相关特点和影响。
接下来，我们将介绍本文的结构，明确每个部分的内容和目标。
最后，我们将明确本文的目的，即探讨高速信号趋肤效应的重要性并探讨未来的研究方向。
正文部分将分为两个小节，分别是高速信号的定义和特点以及趋肤效应的原理和影响。
高二物理竞赛课件：磁场能量和涡流和趋肤效应
利用涡流：熔炼金属; 真空熔炼和提纯；电磁驱 动或电磁阻尼。
5
二、趋肤效应 (skin effect )
当交变电流通过导线 时，电流密度在导线横 截面上的分布是不均匀 的，并随着电流变化频 率的升高，电流将越来 越集中于导线的表面附 近，导线内部的电流却 越来越小的现象称为趋 肤效应。
6
引起趋肤效应的原因就是涡流。
因螺线管的自感可表示为 L = n 2 l S
磁场能量是由自感产生的，称为自感磁能 电磁场的能量密度
电磁场的总能量
9
例1：同轴电缆两半径分为R1和R2，充满磁导率为的磁
介质，内、外圆筒通有反向电流I。求单位长度电缆的 磁场能量和自感系数。
解: 由安培环路定理可知
R2
R1
同轴电缆的磁场只存在于两圆
L
筒状导体之间的磁介质内，
磁场能量也只储存在两圆筒导体之间的磁介质中
磁场能量密度为
10
磁场能量密度为 长度为l的一段电缆所储存的磁场能量为
单位长度电缆的磁场能量 电缆自感
R2
R1
r l
电缆自感只决定于自身结构和所充磁介质磁导率
11
应用: 金属表面热处理。高频强电流通过金属导体， 由于趋肤效应，导体表面温度上升，当升至淬火温度 时，迅速冷却，使表面硬度增大。而导体内部的温度 还远低于淬火温度，在迅速冷却后仍保持韧性。这种 热处理方法称为表面淬火。
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ห้องสมุดไป่ตู้
对于各向同性的顺磁质和抗磁质，B=0rH = H
整个磁场的能量为 :
如果螺线管磁芯是用各向同性的顺磁质或抗磁质做 成的，当电流达到稳定值I 时，磁场能量为
i Ii B
涡流i的方向在导体内部总与电 流I变化趋势相反，阻碍 I 变化， 在导体表面附近，却与 I 变化趋 势相同。
趋肤效应
趋肤效应发布时间：2010-6-25 发布人：21世纪电子网对于每个电气参数，必须考虑其数值有效时的频率范围。
传输线的串联电阻也不例外。
与其他参数一样，它也是频率的函数。
图4.10画出了RG-58/U和等效串联电阻与频率的函数曲线。
图中采用对数坐标轴。
图4.10以相同的坐标轴绘出了感抗WL的曲线。
当频率低于W=R/L时，电阻超过感抗，电缆表现为一个RC传输线。
当频率高于W=R/L 时，电缆是一个低损耗传输线。
当频率高于0.1MHZ时，串联电阻开始增大。
这导致更多的衰减，但相位保持线性。
这种电阻的增加称为趋肤效应（SKIN EFFECT）。
传播因数的实部和虚部（（R+JWL）（JWC））1/2在图4.11中绘出，损耗单位为标培，相位单位为RAD（弧度）。
1奈培等于8.69DB的损耗。
图中显示了RC区域、固定衰减区域和趋肤效应区域。
如图所示，相对于RC区域和趋肤效应区域，低损耗区域非常窄。
是什么导致了趋肤效应，它与导体外表层有什么关系呢？1、趋肤效应的机理在低频时，电流在导体内部的分布密度是均匀的。
从导线的截面图看，中心和边缘区域电流的流量是相同的。
在高频时，导线表面的电流密度变大，而中心区域几乎没有电流流过。
电流分布的变化如图4.12所示，低频时电流均匀地填满整个导线，高频时电流只从接近导线表面的地方流过。
为了形象地证明高频条件下电流的分布，首先假设导线纵向切成多层同心的长管，就像树桩上的年轮。
自然对称的形状可以阻止电流在环间流动，所以必须无误差地切割，所有电流绝对平行于导线的中心轴。
现在导线被切成许多环，我们可以分别考虑每个环的电感。
靠近中心的环，像长而薄的管道，比外部的环有更大的电感。
我们知道，在高频条件下，电流将从电感更低的通路流过。
因此，高频条件下可以预计从外环通路流过的电流比内环更多。
实际上正是如此。
在高频条件下，绝大多数的电流聚集在靠近导体的外表面。
趋肤效应的作用力甚至比仅仅基于各个环管电感的预测作用更显著，实际上，环管间的互感也迫使电流紧贴着导线的外表面流过。
趋肤效应
S
)，所传送
式中 ρ -- 导体材料的电阻率
r1
k -- 导体材料电阻率随温度的变化系数
T -- 导线的温度（℃）
直流时的载流截面
L -- 导线的长度（m）
面积：
S -- 导线的截面面积（mm2）
π S = x r12
对铜圆导线： Ω ρ= 0.01749 -m/1mm2
k = 0.00393
例如，对直径 ，长度 的圆铜线，其在 ℃时的直流电阻为 D=1.2mm
面积：
S=a*b
例如，对窄边高a
k =
= 2
，宽边长 0.00393
mm
b
=
4
mm，长度L=10m的圆铜线，其在20℃时的直流电阻为
℃ Rdc/20 = 0.001749x(1+0.00393X (20 -20)) X10 / (axb)
Ω = 0.02186 在 ℃时的直流电阻为 100
℃ Rdc/100 = 0.001749x(1+0.00393X (100 -20)) X10 / (axb)
d = r1 = k x 66.
f
f= (kx
66. r1
)2
P3
对于直径而言：
66.
f = ( 2 x k x D1
)2
对于扁导线，当 Rac = Rdc时，电流的趋肤效应深度 d = ， a/2
d=a/2=
kx
66. f1
f= (kx
66. a /12
)2
对于扁线的窄边而言：
66.
f = ( 2 x k x a1
S
)，传送的
ρ Rdc = ρ x [ 1 + k x ( T -20 ) ] x L / S
趋肤效应趋肤效应的影响
电流A 单扁线通直流 单股扁线通交流 （100KHZ) 带状线通交流 （100KHZ） 100 100 100
电流密度A/mm2 5.0 20.65 4.96
电阻mΩ 0.8745 xL 3.6122 xL 0.8676 xL
3、利用管和泊减低趋肤效应的影响： 在频率很高时（至少大于1KHZ），趋肤效应深度也很小，电流基本集中在 导体的表面，内部的导体部分基本上没有电流，将这部分导体去除变成管后， 可以大大减轻导体的重量，而对电流的传送又没有影响。同样，在很高的频 率时，也可以将带状线压成泊状，既保证其对电流的传送，又可减轻其重量。 例如，高频大功率的传输线和高频天线的振子就可以使用铜管或铝管来制作， 如果在铜管或铝管的表面加镀一层高导电的金属膜（银或金），效果就会更 好；高频传输线或天线，也可以用在不导电的管或棒形胎表面敷（或镀）导 电金属泊（膜）来制作，即节省昂贵的金属材料，又保证了导电性能和机械 强度。 现在，电子设备的体积越来越小型化，因此电源的工作频率越来越高，为 了提高电源中必需的变压器和功率电感的效率，一方面使用高频极低损耗的 磁材，一方面使用减低高频电流损耗的导体；比如，目前已广泛生产和使用 的极扁带状漆包线就是一种选择。
e O
6
+
f 1 d 2
+
+
+
+
+
L 5
b
N
4 c 3 a
A
趋肤深度
由趋肤效应，我们不难联想到另一概念—趋肤 深度。工程上定义从导体表面到电流密度下降到导 体表面电流密度的0.368（即1/e)的厚度为趋肤深度 或穿透深度△，即认为导体表面下深度为△的厚度 导体流过导线的全部电流，而在△层以外的导体完 全不流过电流（在不规则导体中，考虑趋肤深度以 最窄边为准）。 △与频率f(w)和导线物理性能的关系 为：
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最窄边为准）。 △与频率f(w)和导线物理性能的关系
为：
△
△
2
<
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6
< 2
式中，μ-导线材料的磁导率；
γ=1/ρ-材料的电导率；
Κ-材料电导率（或电阻率）温度系数；对于铜μ=
μ0=4π×10-7H/m; 20℃时ρ=0.01724×10-6 Ω/m，电阻率温度 系数为1/234.5（1/℃），Κ=（1+（T-20）/234.5）。
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电阻mΩ 0.8745 xL 3.6122 xL
0.8676 xL
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3、利用管和泊减低趋肤效应的影响： 在频率很高时（至少大于1KHZ），趋肤效应深度也很小，电流基本集中在
导体的表面，内部的导体部分基本上没有电流，将这部分导体去除变成管后， 可以大大减轻导体的重量，而对电流的传送又没有影响。同样，在很高的频 率时，也可以将带状线压成泊状，既保证其对电流的传送，又可减轻其重量。 例如，高频大功率的传输线和高频天线的振子就可以使用铜管或铝管来制作， 如果在铜管或铝管的表面加镀一层高导电的金属膜（银或金），效果就会更 好；高频传输线或天线，也可以用在不导电的管或棒形胎表面敷（或镀）导 电金属泊（膜）来制作，即节省昂贵的金属材料，又保证了导电性能和机械 强度。
根据扁线最佳高度a = 2 x d 的原则，带状铜线的最佳厚度为：
a =2 x 66.1 mm f
宽度则由要求的电流密度确定。
对于厚度为 a 的带状线，如果传送电流的频率为 f (Hz)，保持交 流载流密度Jf 和直流载流密度J 相当，得到最佳减低趋肤效应电 阻的带状宽度W是：
W
=
1 J
1 appt课件mm
单股线通直流
单股线通交流 （100KHZ) 多股细线通交流 （100KHZ）
电流A 10
10
电流密度A/mm2 5.66
11.803
电阻mΩ 0.01 xL
0.021 xL
0.7769每股
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5.66
总电阻0.01 xL
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2、用带状导线来减低趋肤效应的影响：
在大电流时经常使用扁铜线，在可能的情况下，可以将导线的厚 度减小，宽度增加，使其变成带状，只要合理的确定带状线的厚 度和宽度，就可以使其高频趋肤效应的影响最小。
当根据电流的趋肤深度来确定扁线的窄边高度，使 扁线变成为厚度等于2倍的趋肤深度，而截面面积和原 扁线截面面积相等的带状后，可以使电流趋肤效应的 影响减到最小。
单扁线通直流
单股扁线通交流 （100KHZ)
带状线通交流 （100KHZ）
电流A 100 100
100
电流密度A/mm2 5.0
20.65
4.96
T-导线温度（℃）。铜导线温度20℃、不同频率下的穿透
深度： < 6.6 (cm) f
一般磁性元件的线圈温度高于20℃。在导线温度100℃时， ρ100=2.3×10-6 Ω/cm,穿透深度：
7.65
< (cm)
f
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几种导体的趋肤深度
电导率 相对
(S/m) 导磁率
材料
铝
1
黄铜
1
铬
1
铜
1
金
0.14 0.35 0.011 0.2
0.037 0.092 0.0029 0.053
0.18 4.4
0.014 0.26
-
0.83 2.03 0.064 1.17
2.21 5.41 0.171 3.12
1.51 3.7
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0.117 3.14
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降低趋肤效应的方法
由于电流趋肤效应的存在，使得导线的有效载流面积减小， 导线对交流电流的电阻大于导线的电阻（这里所说的导线的电阻 即为导线对直流电流的电阻）；只有导线的趋肤效应面积和导线 本身的截面相等时，导线的交流电阻最小，此时有：
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ρ 铜=0.01749Ωm/mm2；k 是导体材料随温度的变化系数，为0.00393)
当电流频率 f = 100kHz时，趋肤效应深度：d = 66.1 =0.209 mm f
趋肤效应面积：Sf =πx ( D - d ) x d=0.8472 mm2
趋肤效应电阻(20℃时)：Rac =0.021 x L （*Rac =ρ x [ 1 + k x ( T -20 ) ] x L / Sf) 交流载流密度：Jf =I/Sf=11.803 A/mm2 用细线代替时，每股线的直径df 和截面积 Sfn为：df =2 x d =0.42 mm Sfn =πx df 2 / 4 =0.13726 mm2 股数：N =D2 / df 2 =12.87≈13 用细线代替后，每股电流 In 和电流密度Jn为：In =I/N=0.7769 A Jn =In/Sfn=5.66 A/mm2 趋肤效应电阻(20℃时)：Rac =0.01749 x L / ( N x Sfn )=0.01x L≈Rdc
Df 2 66.1 (mm) f
细线的股数为：
N D2 Df 2
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例如，电流 I = 10A，电流密度J = 5.66A/mm2，单股导线的直径为：
D =2 x I =1.50mm J
导线的直流电阻最为：Rdc =0.01 x L
(*Rdc = ρ x [ 1 + k x ( T -20 ) ] x L / S；
1
石墨
1
磁性铁
坡莫合金
镍
海水
1
银
1
锡
1
锌
1
趋肤深度
3GHz(
60Hz(cm) 1kHz(mm) 1MHz(mm) )
1.1
2.7
0.085 1.6
1.63 3.98 0.126 2.3
1
2.6
0.081 1.5
0.85 2.1
0.066 1.2
0.97 2.38 0.075 1.4
20.5 50.3 1.59 20
大。
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4
如图所示，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-b-c-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。这就是趋肤效应。
Sf =S Rac =Rdc
式中Sf -- 交流趋肤效应面积
S -- 导线截面面积
Rdc -- 导线的直流电阻
Rac -- 导线的交流电阻
因此，减低趋肤效应电阻的最直接的方法，就是改变导线截 面的形状，尽量使趋肤效应面积和导线截面面积相同。
(* 在计算圆导线和扁导线的交流趋肤效应电阻时，设定趋肤深度条件为小于圆
所以此时Rac比Rdc稍小一点点） 交流载流密度：Jf=I/S =I/ （a x W）=4.96 A/mm2 带状线(0.42mm x 48mm)的高频电流密度和交流电阻仅为原扁线(2mm x 10mm)的1/4；当然，带
状线的交流损耗也仅为扁线的交流损耗的 1/4 。
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结论：
扁状导线的趋肤效应电阻和导线的截面形状有关， 在截面面积确定后，其窄边高度越大，趋肤效应的影 响也越大。
现在，电子设备的体积越来越小型化，因此电源的工作频率越来越高，为 了提高电源中必需的变压器和功率电感的效率，一方面使用高频极低损耗的 磁材，一方面使用减低高频电流损耗的导体；比如，目前已广泛生产和使用 的极扁带状漆包线就是一种选择。
管或是在不导电棒形胎上镀 一层导电金属泊
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The end
电路中，电流变化率非常大，不均匀分布的状态甚为严
重。高频电流在导线中产生的磁场在导线的中心区域产
生最大的感应电动势。由于感应的电动势在闭合电路中
产生感应电流，在导线中心的感应电流最大。因为感应
电流总是在减小原来电流的方向，它迫使电流只限于靠
近导线外表面处。这样，趋肤效应使导线型传输线在高
频（微波）时效率很低，因为信号沿它传送时，衰减很
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趋肤效应具体解析
在计算导线的电阻和电感时，假设电流是均匀分布
于他的截面上。严格说来，这一假设仅在导体内的电流
变化率（di/dt）为零时才成立。另一种说法是，导线通
过直流（dc）时，能保证电流密度是均匀的。但只要电
流变化率很小，电流分布仍可认为是均匀的。对于工作
于低频的细导线，这一论述仍然是可确信的。但在高频
线半径或扁线窄边高度的1/2，在趋肤深度大于这个设定时，计算趋肤效应电
阻是无意义的)
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1、用多股细线并联代替单根导线来减低趋肤效应的影 响：
对于直径为D的圆铜导线，如果传送电流的频率为 f (Hz)，保持交流载流密度Jf 和直流载流密度J 相当， 最佳降低趋肤效应电阻的方法是用多股细线替换，使 Sf=S，每股细线的直径为：
趋肤效应
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趋肤效应的影响
在长直导体的截面上，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