既然电流只存在于导体表面,为什么电阻会跟导体的横截面积有关,而不是跟横截面的周长有关?


简版回答

对于一个导线来说,直流电是不存在趋肤效应的

对于交流电来说,趋肤效应指的是大部分电流趋向于分布于导体表面,内部电流比较弱;这时导体的整体损耗当然需要考虑周长这个因素。

不过我们日常使用的工频电趋肤效应并不明显,在低负荷情况下一般不用额外考虑的。

略深入回答

对于趋肤效应(或者说集肤效应)来说,有一个评价指标是趋肤深度:

其中

是导体的电导率,

是导体的磁导率,

为角频率,f 是电流的频率,全部采用国际单位制。

由于趋肤效应的存在,电流的发热大部分集中在趋肤深度以内,但是趋肤深度之下仍然有电流。

在工程实践中,我们把磁导率换成相对磁导率,即

其中

是真空磁导率

,然后把圆周率等常数开出来,把电导率换成更常用Ω·cm 就可以得到工程上常用的一个公式:

对于工频(50Hz)电流来说,纯铜的趋肤深度大约为 9.3mm,远超过一般导线的半径,因此通常不需要额外考虑趋肤深度的问题。

完整回答:麦克斯韦方程组

对于金属中的电流问题,我们可以求助于麦克斯韦方程组:

当然,一般性的麦克斯韦方程组是解不出我们的结果的,我们还要补充其他条件:

首选,要补充的是描述介质性质的物性方程:

电位移矢量

为介电常数

磁场强度

还有描述传导电流密度

需要说明的是,这个物态方程不一定是恒成立的,在频率非常高的条件下

是不成立的,这时候需要把

替换成张量......

到这里,方程组还是不好解,所以我们可以做进一步简化,把方程组变成准静态的,即:

,注意,这里同样是不适用频率非常高的情况下......

再补上导体中没有先天的电荷,即无源条件:

我们就可以把麦克斯韦方程组变成:

凑结果,解方程:

(4)这个方程组看上去不好解,尤其是(4-2),通常而言,这种两个变量不好直接做代换的,我们会采用找一个中间变量的方式来求解,有点类似中小学阶段学的参数方程。

那么对于 E 和 B 来说,这是一个矢量场,怎么找中间变量呢?

回到我们中学阶段,引入中间变量通常是要用恒等式的,比如把圆方程化成参数方程就是利用了正弦和余弦的平方和肯定为 1 这个恒等式

所以对于这里,我们也可以搞一个恒等变形:

由于任意矢量场的旋度的散度恒为 0,即:

恒成立

我们可以定义

,其实 A 这个玩意被称为矢势

这里我们直接继续,带入(4-2):

这个时候我们已经可以猜出 E 和 A 的关系了:

,当然实际上这一步是不对的,应该是加上一个无旋量,只不过一般我们为了简化过程把这个无旋量设定为 0 了。(加不加不影响结果)

然后我们把 E 和 A 的关系带入到(4-4),得到:

考虑到(4-1),我们可以得到

那么(5)可以化简到:

这是一个微分方程,当然实际上是扩散方程

实际上我们可以把 E、B、j 等带进去发现他们都是扩散方程,下一步就是解扩散方程(其实换成 H、B、j 等都可以得到完全样的方程):

解扩散方程

为了简化计算,我们做如下定义:

定义电线长度方向为 x 正方向,垂直方向为 z 方向,那么,假定在 t=0 时刻,x 方向电场强度 Ex(z,t)满足:

,写成指数形式(欧拉公式,取实部)结果为:

注意,这里的 j 是虚数符号......下同

那么,我们再定义一个分布函数

使得任意满足:

那么问题就简单了,直接带进(7)来求解:

这个方程的结果是:

,由此可以得到:

写回三角函数的形式(取实部)就是:

其实我们从 H、B 等方面也能得到完全同样的结果,分布函数

是完全一样的。

注意到,对于(12)来说,

是一个关于 t 的余弦函数,其最大值 :

显然这是一个减函数,但是其分布范围一直可以增加到 z 为无穷大。这里有一个特殊值,即当

时,

这个特殊值即被定义为趋肤深度

,此时电流大约为导体表面的 36.8%,并不是说不存在电流。

发热量:

由于

对 t 来说是余弦波,所以有效值是最大值的

,因此我们可以计算趋肤深度内发热量与总发热量的占比 Q:

即,交流电大约 87%的发热会集中在趋肤深度以内

这个东西的一个典型应用就是感应电炉加热的时候,频率和工件尺寸相适应的。


另外,发现 @西交一咸鱼 有更完整的推导:

西交一咸鱼:趋肤效应

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