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集肤效应学习

电场驱动电子运动,即电流,当电流流动时,周围会形成磁场。根据安培右手规则,若姆指向电流方向,磁场方向为其他四指弯曲方向,中心强度最强,离中心越远越弱(与距离平方成反比)。当电流大小发生变化时,磁场强度也会发生变化,变化的磁场会形成反向电场(愣次定律)。同样,导体的中心磁场变化最大,反向电场也最大。这样,导体中心的电场密度远小于外部,即导体中心的电流密度远小于外部,形成皮肤收集效果。从以上原理说明可以知道:

? 磁场瞬时变化越大,集肤效果越明显。

? 电阻率越小,反向电流越容易产生,皮肤收集效果越明显。

? 导体磁导率越大,磁场瞬时变化越大,皮肤收集效果越明显。 在这里插入图片描述

对于圆柱体导体来说,导体内的电流密度是指随着离表面越远的自然对数而衰减的指数。换句话说,我们定义了一个单位的深度 δ,然后离导体表面深度 x 的电流密度 Jx 与表面电流密度 Js 关系如下:

(exp 称为自然对数基底,其值为 2.71818)

单位深度由我们定义 δ 叫集肤深度,所以当 x = δ 时, ,换句话说,所谓的集肤深度 δ 指电流密度降低到表面电流密度 36.8% 深度。指数函数的一个特点是它增加或衰减得很快。我把圆柱体的半径切成 500 单位做成表 1:

从上表可以看出,从表面到 4δ 深度,累计电流据了深度 98%,而到了 10δ 深度以内,几乎已经没有电流,上表也很容易理解为何将这个现象称为「集肤效应」,另外,如果集肤深度很薄(或者导体比较粗),使用管状导体的效果和实心棒状导体完全一样。

计算集肤深度 以上只是相对关系,那么实际深度是多少呢?皮肤收集深度的公式有点复杂,但如果我们只讨论金属,皮肤收集深度的公式可以简化为以下公式:

ρ 是导体的电阻率 (Ω-m)

是磁导率常数 ( [公式] )

导体的相对磁导率

f 是交流信号的频率,单位是 Hz

(注:上面的公式基本上比所有金属频率小 [公式] 的范围内均适用。)

简化后,上述公式变为:

金、银、铜、铝、铅的相对磁导率相当接近 一般直接当作 1 至于锌和锡的磁导率,我没有找到,但我也把它们当作 1 来计算。接近纯铁的相对磁导率 但是,如果纯铁在氢气环境中回火,其磁导率可以高达 20000,000,所以铁勉强可以用来传导稳定的直流电,但不适合高频。此外,上表没有列出钢或不锈钢,因为钢的材质有相当多种,其特性与回火方式也有很大的差异,不同钢材的磁导式可以从接近 1 数千甚至数万,通常我们不知道不锈钢棒的电阻系数和磁导率,所以如果我们购买不锈钢棒自制汽车天线,其效果往往无法掌握。由表 2 可以看出,常用金属的皮肤收集深度在 HF 上述范围相当薄,影印纸的一般厚度约为 100um,可以想象到底有多薄。因此,生产天线不使用棒材而使用管材,即使是管材,也只有最薄的表面有电流。另外,在音频中 (20~20KHz) 皮肤收集的深度变化很大,即同一直径的导线对不同频率的电阻不同,所以即使是电流很小的信号线,音频爱好者也应该使用非常厚的导线来减少信号失真的程度。

集肤效应导致等效电阻升高 当导体直径远大于集肤深度时,其等效直流流通截面积约等于导体圆周乘以集肤深度,即

直径为下表 1cm,长度 1m 圆柱形导体考虑皮肤收集效应计算的等效电阻 (单位为 mΩ),

从表 3 可以看出

? 铁不适合高频信号传输。

? 铜和银的性能相当,金与铝的性能相差不大。

? 实际上,纯铜管或电线毕竟并不多,大多数常见的铜与锌或锡混合,其电阻率会相对较高。有一种电线是镀锡铜线,用锡保护内部铜不被氧化,但不适合传输高频信号(因为表面是锡)。

? 射频接头考虑了装配强度,因此不可能使用纯铜,其中大部分是铜合金,有些是基于成本,可能有铁成分,然后在表面镀镍等非活性金属防锈。严格来说,这不适合射频,所以高级射频接头通常是镀金或银色的。从上表可以看出,镀银的效果优于黄金,但银容易与环境中的酸反应。因此,如果环境良好或接头可以覆盖良好,则使用镀银接头,镀金适用于各种环境,更耐用。

如何降低集肤效应引起的高电阻 在导体表面增加线径或管径和低电阻的金属 (如镀金或镀银) 降低电阻的方法显然很容易理解,另一种方法是使用多股绝缘线。第一种方法是将这些电线架打开形成一个圆管,这样相同的材料可以有更大的表面积,在圆管中心几乎没有电流,不会浪费材料。因为导线要均匀分开,导线的数量不能太多 (太难处理),另外要保持相同的导线长度,要有适度的拉伸或固定,所以线径不能太细。一般来说,我们常见的高压电塔通常有四层电线,最上层是单股电线。该电线为接地线,用于防雷。电厂提供三相交流电,因此以下三层,每层各一相。每层左右两侧均为结构平衡,每侧电线常用绝缘子隔开四三条电线,即降低皮肤收集效果的应用。(虽然交流电力线的频率只有 60Hz,皮肤收集效应引起的电阻上升似乎并不明显,但电力系统的长距离传输和单位长度的电阻上升在长距离传输中造成的损失实际上是相当可观的,所以我们必须这样关心。)

第二种方法是将线径略小于皮肤收集深度的绝缘细线摩擦成绞线,使每根导线没有电流几乎为零的部分,可以提高材料的利用效率。此外,每根单独的导线不会总是位于整个绞线的同轴位置,即没有导线总是处于低电流状态,这也提高了单位材料的输电效率。这种线称为 Litz Wire,但因为每根线都细如发丝且需要均匀的绞在一起,所以无法 DIY。Litz Wire 通常用来绕中波收音机的铁粉心天线,一般绕一两百圈。如果用厚一点的电线,体积会很大,用细一点的电线。 Q 值不够高,使用 Litz Wire 可以用细线,不会减少太多 Q 值。频率高的频率下,线圈的圈数通常很少,皮肤收集深度也很浅。一般来说,厚电线更便宜,可以实现 Q 通常需要值 2MHz 上述频率很少使用 Litz Wire。

什么叫做「衰减,attenuation」?介质中电波播电波的强度会随着距离的增加而减弱。如果其强度弱于在真空中传输相同距离的电波强度,则称为「辐射衰减」;如果使用传输线传输电波,理想的传输线的输入端和输出端的信号强度应相同,实际上输出端的信号强度必须小于输入端。这种现象被称为「传输衰减」。对于同一介质,电波频率越高,衰减程度越大。也就是说,传输频率越低,传输频率越高,使用频率越高,传输线对电波的衰减越大 VHF 选择高质量、低衰减的传输线,尽可能缩短传输线的长度,是非常重要的。

标签: 高频合金电阻材质

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