集肤效应

集肤效应是交流电 (AC) 在导体内分布的趋势，使得电流密度在导体表面附近xxx，并随着导体深度的增加呈指数下降。 电流主要在导体的表皮处流动，在外表面和称为趋肤深度的水平之间。 趋肤深度取决于交流电的频率； 随着频率的增加，电流流向表面，导致趋肤深度变小。 集肤效应减小了导体的有效横截面，从而增加了它的有效电阻。 集肤效应是由交流电引起的变化磁场引起的反向涡流引起的。 在 60 赫兹的铜中，趋肤深度约为 8.5 毫米。 在高频下趋肤深度变得更小。

使用特殊编织的利兹线可以减轻趋肤效应引起的交流电阻增加。 由于大导体的内部承载的电流很小，因此可以使用管道等管状导体来减轻重量和成本。 趋肤效应在射频和微波电路、传输线（或波导）和天线的分析和设计中具有实际影响。 在交流输电和配电系统的电源频率 (50–60 Hz) 下，它也很重要。 这是远距离输电首选高压直流电的原因之一。

通常为电线形式的导体可用于使用流过该导体的交流电来传输电能或信号。 构成该电流的电荷载流子，通常是电子，由于电能的来源而被电场驱动。 导体中的电流在导体内部和周围产生磁场。 当导体中的电流强度发生变化时，磁场也会发生变化。 反过来，磁场的变化会产生一个电场，该电场与电流强度的变化相反。 这种相反的电场称为“反电动势”（反电动势）。 反电动势在导体中心xxx，迫使导电电子向导体外部移动，如右图所示。

无论驱动力如何，导体表面的电流密度xxx，导体深处的电流密度减小。 电流密度的下降被称为趋肤效应，趋肤深度是电流密度在表面附近下降到其值的 1/e 时的深度的量度。超过 98% 的电流将在第 4 层内流动 乘以距表面的趋肤深度。 这种行为与直流电的行为不同，后者通常会均匀分布在导线的横截面上。

根据感应定律，交变磁场也可能在导体中感应出交变电流。 因此，撞击导体的电磁波通常会产生这样的电流； 这解释了金属对电磁波的反射。 尽管趋肤效应一词最常与涉及电流传输的应用相关联，但趋肤深度还描述了当平面波撞击时散装材料内部电场和磁场的指数衰减以及感应电流的密度 在正常发生率上。

导体中的交流电流密度 J 从其在表面的值 JS 根据距离表面的深度 d 呈指数下降，如下所示：

J = J S e − ( 1 + j ) d / δ {\displaystyle J=J_{\mathrm {S} }\,e{-{(1+j)d/\delta }}}

其中 δ {\displaystyle \delta } 称为趋肤深度。 因此，趋肤深度定义为电流密度降至 JS 的 1/e（约 0.37）时导体表面以下的深度。 指数的虚部表示电流密度的相位对于每个透肤深度延迟 1 弧度。 导体中的一个完整波长需要 2π 趋肤深度，此时电流密度衰减至其表面值的 e−2π（1.87×10−3，或 −54.6 dB）。 导体中的波长比真空中的波长短得多，或者等效地，导体中的相速度比真空中的光速慢得多。 例如，1 MHz 的无线电波在真空中的波长 λo 约为 300 米，而在铜中，波长缩短至仅约 0.5 毫米，相速度仅为约 500 米/秒。