专利名称：直测电流型趋肤效应演示仪器的制作方法
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勻分布。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。以圓形截面的导体为例，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l;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倍趁肤厚度以内的中心导体电流只有总电流的5 % ,所以i兌在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失见律。
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。
本发明将导体分为中心支路和表面支路，中空导体内置入电流检测装置，直测导体中心电流，再测量流过导体的总电流，间接得到导体表面电流，对比不同频率交流电作用下中心电流与表面电流的分布规律，从而可以直观精确演示趋肤效应。从而避免了现有技术中只能定性验证趋肤效应，而无法定量测量趋肤效应导致的电流分布规律的问题。
本发明可以采用几百千赫的交流电源，即可精确演示出明显的趋肤效
应，而且其造价远低于现有趋肤效应演示仪器的数十兆赫电源；并且当本发明采用铁或其他高磁导率材质作为导体时，使用几十千赫的交流电源也可以达到同样明显的效果，而且价格远低于铜材等有色金属，进一步降低造价。
图1是现有趋肤效应演示仪器的结构图。图2是本发明实施例的原理结构图。
图3是本发明实施例1的中空导体部分的结构图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图2所示，本发明实施例基于如下原理如图2在外表面连续的密闭中空导体21内有一冲艮导线26连接中空导体21内两端，构成中心电流支路。在该导体21两端4妄线端24、 25通入电流时，电流分别流过中心支路和表面支路，因为使用的电源频率较低，向空间辐射的电磁波能量几乎为零可以忽略不计，所以按照基尔霍夫电流定律，总电流=表面电流+中心支路电流。中心电流可以由传感器22直接测量，总电流由传感器23直接测量，从而间接得到表面电流值。分别比较直流和不同频率交流电流下中心电流值和表面电流值的比率，即可精确演示出高频交流电流电流在导体中趋近于沿导体外表面传输的趋肤效应现象。
实施例1:图3为中空导体部分的结构，中空导体腔31为倒扣的桶形，顶端面有两个圆形开口，开口处与中空导体管段37的一端紧密焊接，两管段内有一根U形的中心电流导体33,与管段电绝缘，中心电流导体33穿过穿孔型霍尔电流检测器件310，两端与圓锥台36螺紋连接，圆锥台上顶端与螺母34之间压固有接线端35,接线端35与电源连接并穿过另一穿孔型霍尔电流检测器件，测量总电流。信号发送模块38紧贴中空导体腔31内壁，与穿孔型霍尔电流检测器件310通过导线311连接，信号耦合模块39与信号发送模块隔着导体外壳相对，紧贴导体外壳外壁。当两个圆锥台36紧压到中空导体管段37顶端，中空导体底面32紧扣到中空导体腔31的开口处时，整个结构为外表面连续的导体，两接线端35流过的电流分别由导体外壳和中心电流导体33流过，中心电流由穿孔型霍尔电流检测器件310检测，测量信号经导线311传给信号发送模块38,变换成磁信号发送给信号耦合模块39，经还原后显示中心电流值给观察者，与接线端35连接的另一穿孔 型霍尔电流检测器件用来测量总电流，减去中心电流值，可以间接得到表面 电流。在中空导体增加中空导体管段37的原因导体外壳至少要保证一定 的厚度，满足一定频率下可以达到几倍趋肤深度，流过较多电流；在直流时 中心导体截面积与导体外壳截面积的比率要尽量大，使直流时中心电流比率 较大，交流时中心电流比率骤减；中空导体内要有一定容积，容纳中心电流 检测装置；装入电流检测装置后才封口使导体表面连续，封口处不可以流过 较大电流以免增大误差；导体使用材料尽量少，以节约成本。由以上条件可 知，如果中空导体做成均勻形状，会造成较大浪费，且使误差增大，使用这 种结构可以把电流检测装置放入中空导体腔31内，管段部分做得尽量窄以 节约成本，交流时表面电流的绝大部分由中空导体腔31的顶端面流过，由 中空导体底面流过的电流极小，由封口接触电阻带来的误差可以忽略不计。 实做的验证机在直流电时中心电流占总电流的80 %以上，在交流100KHZ 时占总电流的5%左右，发生了强烈的趋肤效应。且该实施例在形式上也完 全体现趋肤效应中心电流与表面电流的概念。
实施例2:将实施例1中的信号发送模块38、信号耦合模块39和中空 导体底面32去掉，直接将导线311由中空导体腔31的开口穿出，传给显示 装置显示中心电流。虽然导体外表面由中空导体腔31的开口处延伸到了腔 体内部，但是由于交流电流4艮难绕过开口向腔体内流动，所以从开口处流过 的电流非常小，呈高阻状态，对测量结果的影响非常小，也可以相对精确地 演示趋l夫效应。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的
保护范围。
权利要求
1、一种直测电流型趋肤效应演示仪器，由电源、电流检测器件及中空导体构成，其特征在于，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。
2、 根据权利要求1所述的直测电流型趋肤效应演示仪器，其特征在于， 当所述中空导体外表面连续时，所述一穿孔型霍尔电流检测装置由穿孔型霍尔 电流检测器件和磁耦合信号传输器件构成，所述穿孔型霍尔电流检测器件与磁 耦合信号传输器件之间为电连接。
3 、根据权利要求1所述的直测电流型趋肤效应演示仪器，其特征在于， 当所述中空导体外表面有开口时，所述一穿孔型霍尔电流检测装置的信号传输 线由所述开口穿出。
4、 根据权利要求1、 2或3所述的直测电流型趋肤效应演示仪器，其特 征在于，所述电源为低于300KHZ、且频率可调的高频交流电源。
5、 根据权利要求1、 2或3所述的直测电流型趋肤效应演示仪器，其特 征在于，所述电源由300KHZ以下、且频率可调的高频交流电源及可与所述高 频交流电源切换的直流电源构成。
6、 根据权利要求l、 2或3所述的直测电流型趋肤效应演示仪器，其特 征在于，所述中空导体材料为铜或铁。
全文摘要
本发明公开了一种直测电流型趋肤效应演示仪器，由电源、电流检测器件及中空导体构成，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。本发明通过对比不同频率交流电作用下中心电流与表面电流的分布规律，从而可以直观精确演示趋肤效应。电源可以采用仅几百千赫的交流电源，即可精确演示出明显的趋肤效应，其造价远低于现有趋肤效应演示仪器的数十兆赫电源；并且当采用铁作为导体时，因为铁材质的高磁导率，在使用几十千赫的交流电源时，也可以达到同样明显的效果，进一步降低造价。
文档编号G09B23/18GK101465081SQ20071030192
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月20日
发明者江 汪 申请人:江 汪