当前课程知识点:电磁场工程应用 > 第5章 均匀平面电磁波 > 5.3.6趋肤效应 > 趋肤效应
同学们好在前面
我们已经分析过了电磁波在良导体内的传播规律
电磁波在良导体内的衰竭很快
它存在着趋肤效应
也就是说
高频电磁波只存在于良导体表面的一个薄层内
因为良导体的电导率都比较大
所以它的衰减系数α就很大
因此电磁波的衰减很快
一般情况下来讲
在微米的数量级的距离就会衰减得近似为零
因此
当电磁波从表面进入导电媒质的内部的时候
越深入内部 场量就越弱
也就是说
电磁能量主要得集中在导体的表面
这一个效应叫趋肤效应
也叫集肤效应
或许说趋表效应
下面我们来看良导体的趋肤深度
趋肤深度也叫集肤深度或穿透深度
指的是当场从表面进入导电媒质一段距离d的时候
在它的幅度衰减到表面幅度的e分之一的时候
这个距离就叫趋肤深度 用d来表示
假设这是一个导体
我们建立一个这样的坐标系
那么设导体表面的电场强度为E0
随着传播的进行
越深入导体的内部 场量越小
也就是说
场会按着这样一个指数规律进行变化
所以越到内部它的场量就越小
假设这是一段距离d传播这一个距离以后
场量为E0的e分之一
也就是说
这一个式子应该等于E0乘以e分之一
求得这里的d正好等于α分之一
也就是说
趋肤深度d等于衰减系数的倒数
在良导体中
因为α近似的等于这样一个表达式
所以d就近似得等于这个表达式
也就是说频率越高
或许煤质的电导率γ越大
它的趋肤深度就越小
也就是趋肤效应就越明显
继续请大家看着这一个式子
我们以铜为例来分析铜在不同的频率情况下
它的趋肤深度
铜的电磁参数是这样一个参数
所以求得趋肤深度d和场源的频率f
之间是这样一个关系
很显然f不同
趋肤深度d就不一样
因此我们求得50Hz的时候的是9.3个毫米
2M的时候d等于47个微米
而f等于3G的时候d就变成了只有1.25个微米
很显然频率增大
趋肤深度极剧得减小
因此我们可以认为直流的时候
场是均匀分布在这一个导体的内部的话
在高频的情况下
它的场量就只位于导体的表面附近
也就是说
中间这一个白颜色的地方代表着没有场
当场源的频率升高到射频或微波段的时候
趋肤深度进一步减小
也就是说
中间空心的位置越来越大
因此利用这一个效应
我们可以进行高频屏蔽
高频屏蔽的原理是根据趋肤效应
利用一定厚度的导体板作为屏蔽罩来保护电子设备
比如说假设我这一个就代表我的手就代表着导体
我要保护它的话
我在这个外面包一层导体
只要这个导体满足一定的厚度
这样里面这个导体没有场量 换一句话说
所有的场量都位与外面包围的这一层导体里头
例如中频变压器的铝罩
晶体管的金属外壳等等
这都是用来做屏蔽的
但是这一个屏蔽对低频没有含义
而在低频的时候
我们往往采用铁磁性的导体来进行屏蔽
那么
趋肤效应对工程有什么影响呢
第一点 趋肤效应对高频电流的传输影响非常得大
第一 在高频情况下
我们往往用相互绝缘的多股细导线来代替单根的实心导线
比如这一个就是利兹线
通常应用于高频的电感器
变压器
变频器
电机、IT设备以及超声波等等设备中间
又如天线的线圈
往往不是单股的导线
而是由多股相互绝缘的导线绞合而成的
那么为什么要采用相互绝缘的多股导线绞合呢
是因为在高频下场量只存在于导体的表层
当采用多股导线的时候
表层数增加
总的截面积增加
因此信号的能量损耗就会减小
第二
因为场量只存在于导体的表层
所以电流也只在导体的表面流动
因此我们在导体的表面镀银或许镀金的时候就可以降低它的电阻
第三
在高频电路中
我们通常采用空心的铜线
因为空心可以省材料降低成本
同时还可以进行通水冷却
实际上
在架空电力线路中
中间不是空的
在铜线的中间用了一个钢芯
那么为什么要用钢芯呢
是因为钢的电阻率很大
它不会影响它的输电性能
同时
因为钢的抗拉能力又比较强
所以可以增大它的抗拉的强度
第二个例子大功率短波发射机的振荡线圈
往往是用空心的铜管绕制的
因为短波的频率很高
它的趋肤效应特别得明显
所以导线的中间没有场量
因此我们就不用实心而用空心的铜线
不过请大家注意
凡是大功率的发射机
或许高频的机器一定注意
不能接触振荡级的每一个元件
否则可能灼伤皮肤
第二
趋肤效应对工频大电流的影响
在工频下传输大电流的导体的截面积通常比较得大
越远离导体的表面电流密度就越小
因此传输交流大电流导体的截面通常都做成长方形
而不是圆形或许正方形并且一般不太厚
因此当导体的材料为铜的时候
在工频下趋肤深度大约是8个毫米
所以用于传输工频电流的铜排的厚度一般小于12个毫米
-0.1 场与路
--场与路
--场与路
-0.2 矢量的基本运算
--矢量的基本运算
--矢量的基本运算
-0.3 场的直观表示--场线
--场的直观表示
--场的直观表示
-0.4 标量场的方向导数和梯度
-0.5.1 矢量场的通量和散度
-0.5.2 矢量场的环量和旋度
-0.6 散度和旋度
--散度和旋度
--散度和旋度
-0.7 亥姆霍兹定理
--亥姆霍兹定理
--赫姆霍兹定理
-第0章 场的概念--第0章习题
-1.1静电场的源
--静电场的源
--静电场的源
-1.2电场强度
--电场强度
--电场强度
-1.3电位
--电位
--电位
-1.4电偶极子
--电偶极子
--电偶极子
-1.5静电场中的导体和电介质
-1.6高斯定理
--高斯定理
--高斯定理
-1.7静电场的基本方程
--静电场的基本方程
--静电场的基本方程
-1.8静电场分界面的衔接条件
-1.9静电场的边值问题及求解
-1.10镜像法
--镜像法
--镜像法
-1.11电轴法
--电轴法
--电轴法
-1.12地球的电容-电容及求解
-1.13静电力与静电能量
--静电力与静电能量
--静电力与静电能量
-1.14高电压技术中的电场问题
-第1章 静电场--第1章习题
-2.1鱼塘大量死鱼之谜-电流及电流密度
-2.2三大定律
--三大定律
--三大定律
-2.3电源电动势和局外场强
-2.4恒定电场的基本方程和边界条件
-2.5电流为什么弯曲?--恒定电场边界条件的应用
-2.6恒定电场的边值问题
-2.7恒定电场与静电场的比拟
-2.8恒定电场的工程应用:电导和部分电导
-2.9别墅起火之谜--绝缘电阻
-2.10奶牛被严重击伤,人却安全无恙?--跨步电压
-第2章 恒定电场--第2章习题
-3.1磁感应强度
--磁感应强度
--磁感应强度
-3.2磁场中的物质--磁化
-3.3安培环路定理
--安培环路定理
--安培环路定理
-3.4恒定磁场基本方程及分界面的衔接条件
-3.5.1矢量磁位及其边值问题
-3.5.2标量磁位及其边值问题
-3.6恒定磁场中的镜像法
-3.7.1自感和互感的概念
-3.7.2自感和互感的计算
-3.8恒定磁场的能量
--恒定磁场的能量
--恒定磁场的能量
-3.9.2虚位移法
--磁场力-虚位移法
--磁场力-虚位移法
-3.9.3法拉第观点
-3.10磁路
--磁路
--磁路
-第3章 恒定磁场--第3章习题
-4.1电磁感应定律
--电磁感应定律
--电磁感应定律
-4.2感应电场
--感应电场
-4.3全电流定律
--全电流定律
-4.4麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程
-4.5.1坡印廷定律和坡印廷矢量
-4.5.2坡印廷定理的应用
-4.6.1 动态位的引入
--动态位的引入
-4.6.2 动态位的积分解
--动态位的积分解
-4.7.1时谐电磁场及其复数表示
-4.7.2麦克斯韦方程的复数形式
-4.7.3复介电常数
-4.7.4坡印廷定理的复数形式
-4.7.5时谐场的坡印廷矢量
-4.7.6时变场计算实例
--时变场计算实例
--时变场计算实例
-第4章 时变电磁场--第4章习题
-5.1 均匀平面电磁波的概念
-5.2.1 无界理想介质中平面波的方程
-5.2.2 无界理想介质中的平面波传播特性
-5.3.1导电媒质中均匀平面波的方程
-5.3.2导电媒质中均匀平面波的传播特性
-5.3.3 4G手机能否用于煤矿的井上下通信?
--4G手机
-5.3.4潜艇通信困难?
--海水潜艇通信困难
-5.3.5良导体和良介质中均匀平面波的传播特性
-5.3.6趋肤效应
--趋肤效应
--趋肤效应
-5.3.7趋肤效应的工程应用2例
-5.4.1 电磁波的极化
--电磁波的极化
--电磁波的极化
-5.4.2 圆极化的旋向判断
--圆极化的旋向判断
--极化旋向判断
-5.4.3 极化的工程应用举例—立体电影
-第5章 均匀平面电磁波--第5章习题
-6.1.1平面电磁波对一般导电媒质的垂直入射
-6.1.2均匀电磁波对理想导体平面的垂直入射
-6.1.3均匀平面波对理想介质分界面的垂直入射
-6.1.4易拉罐增强WiFi信号?
--易拉罐增强WiFi信号?--理想导体平面对电磁波的全反射
--易拉罐增强WiFi信号?--理想导体平面对电磁波的全反射
-6.2.1平面波在理想介质分界面上的斜入射
-6.2.2雷达测距和雷达低空盲区
-6.2.3光纤的传输原理—电磁波在理想介质表面的全反射
-6.2.4电磁波在理想介质表面的全透射
-第6章 平面电磁波的反射和透射--第6章习题