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|电流真是在电线表面流动的吗？


以前在讲到电流与电阻时 ， 有位朋友跟我说：电流其实只是在电线表面流动 ， 电线中心部分电子运动速度慢甚至几乎是不运动的 ， 所以电线用多股铜线而不用单根实心导线 。
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多股导线与趋肤效应
这可能是人们对电流的“趋肤效应”存在普遍误解吧 。
直流与交流磁场
当我们在导线的两端施加电压 ， 电势差会在导体内部形成电场 ， 进而产生电流 。
电流分为直流电和交流电 ， 直流电由于电场方向不变 ， 电荷在导线中单向运动；交流电由于电场方向是周期性反转 ， 因此电荷在导线中的运动方向和强度也会随着周期性发生变化 。
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交流电场中电荷周期性晃动
无论是直流电还是交流电 ， 由于电荷运动的关系 ， 它都会在导线内部及导线周围产生磁场 。 直流电所产生的磁场方向比较好判断 ， 你可以通过右手抓握规则 ， 将大拇指对准电流方向 ， 另四个手指就是电磁场方向了 。
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电流方向与电磁场的关系
交流电的磁场方向则要复杂一些 ， 因为交流电的电流方向和强度并不固定 ， 因此交流电所产生的电磁场也随之不断变化 。
涡电流的产生
由于交流电场在导线中不断翻转 ， 由电场产生的磁通量也在不断地发生变化 ， 法拉第定律告诉我们 ， 变化的磁通量会在导体中感应出电动势 ， 这个感应电动势会在导体内部形成环形涡流 。
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交流电路中产生环形涡流
导体内部感应磁场产生的环形涡流是一个变化的电场 ， 它的外侧与交流电电流方向相同 ， 而靠近导线中轴的区域形成反电动势 ， 这样导致的结果就是导体外表面的电流得到加强 ， 而中间的电流被削弱了 ， 看起来电流都集中在电线的表面“皮肤” ， 因此我们称这种现象为趋肤效应 ， 或集肤效应 。
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趋肤效应的产生
“皮肤”有多厚？
由于趋肤效应使得导体表面的电流密度大 ， 并且随着深度的增加电流密度呈指数下降 ， 因此导线的有效横截面积变小 ， 电阻增加 。 那么这一层“皮肤”到底有多厚呢？
我们假设导体表面电流密度为1时 ， 其内部电流密度为表面37%的深度δ ， 这个δ值就是皮肤厚度 。
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皮肤厚度
δ并不是一个固定值 ， 它的大小与介质的相对磁导率 μr、介质的电阻率 ρ、以及交变电流的频率 f 都有关系 ， 我们通常用以下公式来计算出 δ的值：
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由这个公式我们可以看出 ， 对于同一种材料的电线 ， 当交流电流变化的频率越高时 ， δ的值越小；而电流频率越低 ， δ越大 。 一般情况下 ， 当50Hz交流电流过铜质电缆时 ， 它的皮肤厚度达到9.2毫米 。 而在一个10GHz的微波电路中 ， 电流会集中在铜线表面0.65微米的表层 。
趋肤效应的实用意义
了解电流的趋肤效应意义重大 。 在高压输电线路的设计时 ， 我们不能一味通过增加导线的直径来获得大电流 ， 因为当铜导线直径超过2厘米时 ， 它中心部分的电流很少 ， 因此造成材料的浪费 。 为了输送更多电能 ， 特高压输电会采用多束相同的电缆来提高效率、降低损耗 。


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