[发明专利]直测电流型趋肤效应演示仪器

说明书

技术领域

本发明涉及教学仪器领域，特别是一种趋肤效应演示仪器。

背景技术

趋肤效应原理是指恒定电流在导体的截面上均匀分布。对于交变电流，导体中会有自感电动势抵抗电流通过，这个电动势的大小与导体单位时间内所切割的磁通量成正比。以圆形截面的导体为例，愈靠近导体中心处，受到自感电动势的影响愈大；靠近导体表面处，则不受其内部磁力线消长的影响，因而自感电动势较小，这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加，趋肤效应亦随着频率提高而变得更为显著。

趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效电阻变大。但是肉眼没有办法观察，只能靠实验验证，学生在学习过程中也需要演示仪器来加深印象。目前，公知的趋肤效应演示仪器是在趋肤导体的中心位置和表面位置分别串接两个相同的小灯泡，通直流电时，两个灯泡亮度相同，通交流电时，随着频率不断提高，连接导体中心的灯泡亮度越来越暗，说明在高频交流电作用下导体“表面电流”比导体“中心电流”大，以此证明趋肤效应。

但是这种方法存的问题是导体的外表面是连续的，在任何形状导体上的接线端都不可能真正连接到导体“中心”测量到导体“中心电流”，实际上这种接线方法测量的是该路径下导体中心电流与表面电流的总和。现有趋肤效应仪器在高频下使灯泡产生的明暗变化实际上是利用了特殊的导体外形导致不同表面电流路径的等效电阻差异，以及高频时电磁波辐射能量损耗使等效电阻变大的现象。

以图1所示的趋肤效应仪为例，箱体3内置直流电源与频率可调的高频交流电源，电源两极接柱形导体5，柱形导体根部分别接表面指示灯1的两极，柱形导体顶部中心分别接中心指示灯2的两极。通直流电时，表面指示灯1的电流路径是两柱形导体根部、导线和表面指示灯1；中心指示灯2的电流路径是两个整个柱形导体、导线和中心指示灯2。由于直流电流是平均流过导体，电流路径的导体截面积很大，电阻很小，虽然整个柱形导体5电流路径较长，但是柱形导体根部与整个柱形导体的电阻都在毫欧数量级，他们的电阻差值带来的分压差对两个灯泡的影响可以忽略不计，所以两个灯泡亮度相同。通交流电时，随着频率增加，绝大部分电流沿柱形导体表面传播，导致电流路径截面积急剧减小，等效电阻增大到欧姆级，柱形导体根部与整个柱形导体电阻差值产生的分压差影响到两个灯泡的分压，尤其是在柱形导体顶端面4，由外围到中心接线端等效截面积急剧缩小，电流密度急剧增大，导致等效电阻激增，而且高频交流电使整个柱形导体成为天线，向空间辐射电磁波，柱形导体根部损失能量小，分压较小，整个柱形导体辐射能量较大，分压相对较大，由于这些原因使两个灯泡产生明暗变化。

由于交流电流的频率必须增大到使趋肤层足够薄，等效电阻才可以影响到灯泡的分压，所以会给观察者建立另一个错误印象：认为只有在几十兆赫频率下才会发生趋肤效应。而且表面电流与中心电流区别不大，因为灯泡的电流并非和亮度成正比，灯泡在电流较小时灯芯温度降低，辐射电磁波的波长增大，向不可见的红外段移动，所以变得较暗甚至不发光，实际上电流变化幅度并不大。以铜导体发生趋肤效应时的特征为例，在100KHZ的交流电作用下，趋肤深度只有0.21MM厚，也就是说在导体最外层的0.21MM深度的一层导体内集中了全部电流的63％，在3倍趋肤厚度0.63MM的外层导体内集中了全部电流的95％以上，3倍趋肤厚度以内的中心导体电流只有总电流的5％，所以说在100KHZ时已经发生强烈的趋肤效应。

由此可见，现有的趋肤效应演示仪器虽然导致的结果可以定性说明高频电流通过导体时发生了趋肤效应，但是会给观察者建立在导体几何中心接线测量中心电流的错误概念和误导观察者以为只有在数十兆赫频率以上时才发生趋肤效应，且“表面电流”与“中心电流”相差不大，仅能使灯泡产生明暗变化。也就是说，现有的趋肤效应演示仪器仅仅是利用趋肤效应导致电流集中，等效电阻增大的现象，将导体分为了两个阻值大小不同的电阻，而并未真正揭示同一导体内由于趋肤效应而导致的电流分布规律。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直测电流型趋肤效应演示仪器，用于演示同一导体内由于趋肤效应而导致的电流分布规律，直观地精确演示趋肤效应。

本发明提供了一种直测电流型趋肤效应演示仪器，由电源、电流检测装置及中空导体构成，所述中空导体外表面连续或有开口，导体内壁最靠近该导体外部两接线端的两端点连接有一根导线，该导线穿过一穿孔型霍尔电流检测装置，导体外部两接线端分别与电源连接，并穿过另一穿孔型霍尔电流检测装置。