射频工程师必知必会——趋肤效应和趋肤深度

参考：https://www.vfe.ac.cn

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)，

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。

No.1 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：

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。在导体内部，等效电阻变大，而导体表面的等效电阻变小，交变电流趋于在导体表面流动，形成趋肤效应。
趋肤效应使导线通过交变电流的有效截面积减小了，导线的电阻增大了。

趋肤效应下导体的等效电阻变化了，这个等效电阻，称为交流电阻，交流电阻与电流的频率有关，频率越高，交流电阻越大。

No.2 趋肤深度

定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368（即1/e）的厚度为趋肤深度或穿透深度

可见趋肤深度与频率的开方成反比，与电阻率的开方成正比。下表是20℃时铜的的趋肤深度表。

通过程序计算，我们可得铜的趋肤深度与频率的关系曲线。当频率F=2600MHz时，对应的趋肤深度为1.287um

No.3 趋肤效应的不利

传输交流电流时，由于趋肤效应的影响，导致导线的等效电阻增加，损耗增大。
1、趋肤效应对于高频电流的传输影响甚大。对于传输高频电流的导线，通常采用下述方法改善其传输性能：
　　a、既然趋肤效应使电流趋于表面流动，那么，相同截面积的导线，表面积越大，等效电阻越小，因此，利用互相绝缘的多根细导线代替单根实心导线，可以改善降低导线的交流电阻。
　　b、既然趋肤效应使电流趋于表面流动，那么，将其表面镀银或镀金，降低表面电阻，可以改善导线的交流电阻。
　　c、既然趋肤效应使电流趋于表面流动，那么，将其制作成空心导线，其导电效果与实心导线基本相当，但是，可以节省材料。
2、对传输工频大电流不利
　　为了传输更大的电流，对于大电流传输，通常导体截面积较大，远离表面的中心处，电流密度还是会明显减小，因此，传输交流大电流的导体，通常制作成截面积为长方形，而不是圆形或正方形，并且，一般不能太厚，对于50Hz的工频交流电，导体为铜，其趋肤深度约8mm，这样，对于厚度大于16mm的铜排，其中心层电流密度已经非常小了，因此，用于传输工频电流的铜排的厚度一般小于12mm。

No.4 趋肤效应的应用

电流流过导体，产生热量，趋肤效应使电流趋于表面流动的特性，可应用于金属表面热处理，通常称表面淬火。表面淬火的过程如下：

在一个感应线圈中通以高频交流电，线圈内部会产生频率相同的高频交变磁场，或将金属导体置于交变磁场中，只要交变磁场足够大，频率足够高，趋肤效应将导致导体表面温度迅速上升至淬火温度，之后迅速冷却金属导体，可使表面硬度增大。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。