趋肤效应演示仪器的设计.doc

趋肤效应演示仪器的设计张三，李四（黑龙江科技学院 电信学院，班级，姓名）摘要：本文设计了一个演示装置，结构简单、现象明显、演示内容全面，可加深对趋肤效应的理解，达到观察、研究趋肤效应的目的。关键词：趋肤效应；演示实验；电磁场；涡旋电流1 引言众所周知，在交流电路中随着电流变化的频率增加，导体横截面上的电流分布向导体表面集中，引起一种特殊的表面效应趋肤效应。趋肤效应是当今电工和材料领域的热门课题，应用广泛，如在传输电缆、测井校正、高频淬火等工程技术中。趋肤效应是物理教学中的一大难点，难就难在其形成机制不直观，建立的物理数学模型过于抽象、复杂、难于理解。2 在普通物理范围内解释关于趋肤效应，目前在国内不少的普通物理教材和一些文献中都用涡旋电流来解释，如图1所示。认为趋肤效应是一种电磁感应现象：前提是假设导体内部存在交变电流，变化的电流在导体内部产生变化的磁场，变化的磁场又在导体中激发感应电动势，产生涡旋电流，并且感应电动势与涡流之间有相位差存在。这种涡流与原来电流叠加的结果总是增大导体边缘的电流密度，同时使导体内部的电流密度减小。随着电流的频率变化增大产生明显的趋肤现象。这种模型虽然简单直观，但在理论上是不确切的，也容易使学生对趋肤效应产生误解，建立一个错误的模型：1）认为在低频情况下，电磁能是通过交变电流在导体内部传递的。而实际上无论是直流电，交流电，还是无线电，能量的传输都是通过电磁场来完成的。2）输入电流频率越大，趋肤效应现象越明显，认为只有在高频时才会发生趋肤效应，低频时不发生。而实际上趋肤效应现象与输入电流频率高低和导体横截面积大小有关，当导体横截面足够大时，即使频率只有50HZ工频电流一样会发生强烈趋肤效应。3）认为交变电流产生的趋肤效应是一种电流从导体的轴线开始逐渐向外表皮集中的效应，而与实际的形成过程恰好相反。4）试验表明，发生强烈趋肤效应时轴线附近的电流近似为零，用涡电流解释趋肤效应的假定前提已不存在，因而这种解释是不能自洽的。3 在理论物理范围内解释在电动力学中，认为趋肤效应是电磁波的一种传播行为：电磁波在传播过程中遇到良导体界面时，电磁场将部分透入导体内部，透入深度为。若要严谨、清楚地介绍趋肤效应，基本上都涉及一些特殊函数，严格数学论证最终落入了理论物理的范畴。问题是：一方面在普通物理阶段，学生还不具备特殊函数方面知识，另一方面在现有的电动力学教材中，有关趋肤效应的教学内容与普通物理中的相关内容是完全脱节的，即使学生学完电动力学之后，对趋肤效应也很难建立起一个清晰、直观、完整模型。物理是一门以实验为基础的科学，演示实验能使学生在获得生动、鲜明的感性认识基础上，更好地理解和掌握物理概念和规律。所谓百闻不如一见，一些看似深奥、难懂的道理通过演示实验就能豁然开朗。针对上述问题，本人设计了一个简单易行的实验装置，同实验室现有趋肤效应演示仪器相比，实验现象更加明显，反映的物理过程更加直观、清晰、全面，取得较好教学效果。4 实验装置及演示方法试验装置如图2所示：两支在底部中央打有小孔的圆形铁筒，外半径为6cm，内半径5cm；两根与筒高度相同，横截面较小的铁质圆杆，可固定在铁筒内底部；绝缘固定支架，用于固定铁筒及铁杆，三个完全相同小电珠；干电池。图3为装置俯视图。4.1 演示方法1） 演示前先将插头1、2接于干电池两端，可见三个小电珠亮度基本相同，由于三个小电珠相当于通过铁筒和铁杆并联在1、2两点，这一现象不难理解。2）演示开始时，1、2两端接于交流电源，A灯暗，B灯和C灯稍亮，发生了趋肤效应；随着输入电流频率不断增大，A灯更暗，直至熄灭；而B、C 灯更亮，趋肤效应现象更加明显。4.2 定性说明1）由于采用磁导率很大铁质材料制作实验装置，而圆形铁筒又相当于大截面导线，因此即使输入电流频率相对较低时（如50HZ的工频电流），也会发生趋肤效应现象，不只是高频时才会发生。 2）圆形铁筒内部中空，可切断涡流，说明用涡旋电流来解释趋肤效应是不确切的。3）内部中空，电流无法从导线的轴线逐渐向圆筒外表皮集中，可避免造成趋肤效应是交变电流从导线的轴线开始逐渐向外表皮集中的假象；4）发生趋肤效应时电流外强内弱，而电流又无法从导线的轴线逐渐向圆筒外表皮集中，说明电磁能传输过程只能是从圆筒外面通过电磁场向内部渗透，而不是靠电流在导体内部传输的。4.3 优点:由于充分利用演示室已有的设备（与实验室现有趋肤效应演示仪器共用可调谐交变电流输出平台共用插孔），因此制作工艺简单、成本较低。但实验现象更加明显，反映的物理过程更加直观、清晰、全面，可加深对趋肤效应的理解，达到观察、研究趋肤效应的目的。参考文献：1 赵凯华,陈熙谋.电磁学M.北京：高等教育出版社，1985.472-474.2 郭硕鸿,电动力学M.北京：高等教育出版社，1984.153-155.3 何冠山,等. 工频趋附效