專利名稱：直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及教學(xué)儀器領(lǐng)域，特別是一種趨膚效應(yīng)演示儀器。
背景技術(shù)：
趨膚效應(yīng)原理是指恒定電流在導(dǎo)體的截面上均勻分布。對于交變電流，導(dǎo)體中會有自感電動勢抵抗電流通過，這個電動勢的大小與導(dǎo)體單位時間內(nèi)
所切割的磁通量成正比。以圓形截面的導(dǎo)體為例，愈靠近導(dǎo)體中心處，受到自
感電動勢的影響愈大；靠近導(dǎo)體表面處，則不受其內(nèi)部磁力線消長的影響，因而自感電動勢較小，這就導(dǎo)致趨近導(dǎo)體表面處電流密度較大。由于自感電動勢隨著頻率的提高而增加，趨膚效應(yīng)亦隨著頻率提高而變得更為顯著。
趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體中通過電流時的有效截面積減小，從而使其有效電阻變大。但是肉眼沒有辦法觀察，只能靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也需要演示儀器來加深印象。目前，公知的趨膚效應(yīng)演示儀器是在趨膚導(dǎo)體的中心位置和表面位置分別串接兩個相同的小燈泡，通直流電時，兩個燈泡亮度相同，通交流電時，隨著頻率不斷提高，連接導(dǎo)體中心的燈泡亮度越來越暗，說明在高頻交流電作用下導(dǎo)體"表面電流"比導(dǎo)體"中心電流，，大，以此證明趨膚效應(yīng)。
但是這種方法存的問題是導(dǎo)體的外表面是連續(xù)的，在任何形狀導(dǎo)體上的接線端都不可能真正連接到導(dǎo)體"中心"測量到導(dǎo)體"中心電流"，實(shí)際上這種
接線方法測量的是該路徑下導(dǎo)體中心電流與表面電流的總和。現(xiàn)有趨膚效應(yīng)儀器在高頻下使燈泡產(chǎn)生的明暗變化實(shí)際上是利用了特殊的導(dǎo)體外形導(dǎo)致不同表面電流路徑的等效電阻差異，以及高頻時電磁波輻射能量損耗使等效電阻變大的現(xiàn)象。以圖1所示的趨膚效應(yīng)儀為例，箱體3內(nèi)置直流電源與頻率可調(diào)的高頻
交流電源，電源兩極接柱形導(dǎo)體5，柱形導(dǎo)體根部分別接表面指示燈1的兩極，柱形導(dǎo)體頂部中心分別接中心指示燈2的兩極。通直流電時，表面指示燈1的電流路徑是兩柱形導(dǎo)體根部、導(dǎo)線和表面指示燈l;中心指示燈2的電流路徑是兩個整個柱形導(dǎo)體、導(dǎo)線和中心指示燈2。由于直流電流是平均流過導(dǎo)體，電流路徑的導(dǎo)體截面積很大，電阻很小，雖然整個柱形導(dǎo)體5電流路徑較長，但是柱形導(dǎo)體根部與整個柱形導(dǎo)體的電阻都在毫歐數(shù)量級，他們的電阻差值帶來的分壓差對兩個燈泡的影響可以忽略不計，所以兩個燈泡亮度相同。通交流電時，隨著頻率增加，絕大部分電流沿柱形導(dǎo)體表面?zhèn)鞑?，?dǎo)致電流路徑截面積急劇減小，等效電阻增大到歐姆級，柱形導(dǎo)體根部與整個柱形導(dǎo)體電阻差值產(chǎn)生的分壓差影響到兩個燈泡的分壓，尤其是在柱形導(dǎo)體頂端面4，由外圍到中心接線端等效截面積急劇縮小，電流密度急劇增大，導(dǎo)致等效電阻激增，而且高頻交流電使整個柱形導(dǎo)體成為天線，向空間輻射電磁波，柱形導(dǎo)體根部損失能量小，分壓較小，整個柱形導(dǎo)體輻射能量較大，分壓相對較大，由于這些原因使兩個燈泡產(chǎn)生明暗變化。
由于交流電流的頻率必須增大到使趨膚層足夠薄，等效電阻才可以影響到燈泡的分壓，所以會給觀察者建立另一個錯誤印象認(rèn)為只有在幾十兆赫頻率下才會發(fā)生趨膚效應(yīng)。而且表面電流與中心電流區(qū)別不大，因?yàn)闊襞莸碾娏鞑⒎呛土炼瘸烧龋瑹襞菰陔娏鬏^小時燈芯溫度降低，輻射電磁波的波長增大，向不可見的紅外段移動，所以變得較暗甚至不發(fā)光，實(shí)際上電流變化幅度并不大。以銅導(dǎo)體發(fā)生趨膚效應(yīng)時的特征為例，在100KHZ的交流電作用下，趨膚深度只有0.21MM厚，也就是說在導(dǎo)體最外層的0.21MM深度的一層導(dǎo)體內(nèi)集中了全部電流的63%，在3倍趨膚厚度0.63MM的外層導(dǎo)體內(nèi)集中了全部電流的95 %以上，3倍趁膚厚度以內(nèi)的中心導(dǎo)體電流只有總電流的5 % ,所以i兌在100KHZ時已經(jīng)發(fā)生強(qiáng)烈的趨膚效應(yīng)。
由此可見，現(xiàn)有的趨膚效應(yīng)演示儀器雖然導(dǎo)致的結(jié)果可以定性說明高頻電流通過導(dǎo)體時發(fā)生了趨膚效應(yīng)，但是會給觀察者建立在導(dǎo)體幾何中心接線測量中心電流的錯誤概念和誤導(dǎo)觀察者以為只有在數(shù)十兆赫頻率以上時才發(fā)生趨膚效應(yīng)，且"表面電流"與"中心電流"相差不大，僅能使燈泡產(chǎn)生明暗變化。也就是說，現(xiàn)有的趨膚效應(yīng)演示儀器僅僅是利用趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流集中，等效電阻增大的現(xiàn)象，將導(dǎo)體分為了兩個阻值大小不同的電阻，而并未真正揭示同一導(dǎo)體內(nèi)由于趨膚效應(yīng)而導(dǎo)致的電流分布失見律。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，用于演示同一導(dǎo)體內(nèi)由于趨膚效應(yīng)而導(dǎo)致的電流分布規(guī)律，直觀地精確演示趨膚效應(yīng)。
本發(fā)明提供了一種直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，由電源、電流檢測裝置及中空導(dǎo)體構(gòu)成，所述中空導(dǎo)體外表面連續(xù)或有開口，導(dǎo)體內(nèi)壁最靠近該導(dǎo)體外部兩接線端的兩端點(diǎn)連接有一根導(dǎo)線，該導(dǎo)線穿過一 穿孔型霍爾電流檢測裝置，導(dǎo)體外部兩接線端分別與電源連接，并穿過另一穿孔型霍爾電流
檢測裝置。
本發(fā)明將導(dǎo)體分為中心支路和表面支路，中空導(dǎo)體內(nèi)置入電流檢測裝置，直測導(dǎo)體中心電流，再測量流過導(dǎo)體的總電流，間接得到導(dǎo)體表面電流，對比不同頻率交流電作用下中心電流與表面電流的分布規(guī)律，從而可以直觀精確演示趨膚效應(yīng)。從而避免了現(xiàn)有技術(shù)中只能定性驗(yàn)證趨膚效應(yīng)，而無法定量測量趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的電流分布規(guī)律的問題。
本發(fā)明可以采用幾百千赫的交流電源，即可精確演示出明顯的趨膚效
應(yīng)，而且其造價遠(yuǎn)低于現(xiàn)有趨膚效應(yīng)演示儀器的數(shù)十兆赫電源；并且當(dāng)本發(fā)明采用鐵或其他高磁導(dǎo)率材質(zhì)作為導(dǎo)體時，使用幾十千赫的交流電源也可以達(dá)到同樣明顯的效果，而且價格遠(yuǎn)低于銅材等有色金屬，進(jìn)一步降低造價。


圖1是現(xiàn)有趨膚效應(yīng)演示儀器的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的中空導(dǎo)體部分的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例基于如下原理如圖2在外表面連續(xù)的密閉中空導(dǎo)體21內(nèi)有一沖艮導(dǎo)線26連接中空導(dǎo)體21內(nèi)兩端，構(gòu)成中心電流支路。在該導(dǎo)體21兩端4妄線端24、 25通入電流時，電流分別流過中心支路和表面支路，因?yàn)槭褂玫碾娫搭l率較低，向空間輻射的電磁波能量幾乎為零可以忽略不計，所以按照基爾霍夫電流定律，總電流=表面電流+中心支路電流。中心電流可以由傳感器22直接測量，總電流由傳感器23直接測量，從而間接得到表面電流值。分別比較直流和不同頻率交流電流下中心電流值和表面電流值的比率，即可精確演示出高頻交流電流電流在導(dǎo)體中趨近于沿導(dǎo)體外表面?zhèn)鬏數(shù)内吥w效應(yīng)現(xiàn)象。
實(shí)施例1:圖3為中空導(dǎo)體部分的結(jié)構(gòu)，中空導(dǎo)體腔31為倒扣的桶形，頂端面有兩個圓形開口，開口處與中空導(dǎo)體管段37的一端緊密焊接，兩管段內(nèi)有一根U形的中心電流導(dǎo)體33,與管段電絕緣，中心電流導(dǎo)體33穿過穿孔型霍爾電流檢測器件310，兩端與圓錐臺36螺紋連接，圓錐臺上頂端與螺母34之間壓固有接線端35,接線端35與電源連接并穿過另一穿孔型霍爾電流檢測器件，測量總電流。信號發(fā)送模塊38緊貼中空導(dǎo)體腔31內(nèi)壁，與穿孔型霍爾電流檢測器件310通過導(dǎo)線311連接，信號耦合模塊39與信號發(fā)送模塊隔著導(dǎo)體外殼相對，緊貼導(dǎo)體外殼外壁。當(dāng)兩個圓錐臺36緊壓到中空導(dǎo)體管段37頂端，中空導(dǎo)體底面32緊扣到中空導(dǎo)體腔31的開口處時，整個結(jié)構(gòu)為外表面連續(xù)的導(dǎo)體，兩接線端35流過的電流分別由導(dǎo)體外殼和中心電流導(dǎo)體33流過，中心電流由穿孔型霍爾電流檢測器件310檢測，測量信號經(jīng)導(dǎo)線311傳給信號發(fā)送模塊38,變換成磁信號發(fā)送給信號耦合模塊39，經(jīng)還原后顯示中心電流值給觀察者，與接線端35連接的另一穿孔 型霍爾電流檢測器件用來測量總電流，減去中心電流值，可以間接得到表面 電流。在中空導(dǎo)體增加中空導(dǎo)體管段37的原因?qū)w外殼至少要保證一定 的厚度，滿足一定頻率下可以達(dá)到幾倍趨膚深度，流過較多電流；在直流時 中心導(dǎo)體截面積與導(dǎo)體外殼截面積的比率要盡量大，使直流時中心電流比率 較大，交流時中心電流比率驟減；中空導(dǎo)體內(nèi)要有一定容積，容納中心電流 檢測裝置；裝入電流檢測裝置后才封口使導(dǎo)體表面連續(xù)，封口處不可以流過 較大電流以免增大誤差；導(dǎo)體使用材料盡量少，以節(jié)約成本。由以上條件可 知，如果中空導(dǎo)體做成均勻形狀，會造成較大浪費(fèi)，且使誤差增大，使用這 種結(jié)構(gòu)可以把電流檢測裝置放入中空導(dǎo)體腔31內(nèi)，管段部分做得盡量窄以 節(jié)約成本，交流時表面電流的絕大部分由中空導(dǎo)體腔31的頂端面流過，由 中空導(dǎo)體底面流過的電流極小，由封口接觸電阻帶來的誤差可以忽略不計。 實(shí)做的驗(yàn)證機(jī)在直流電時中心電流占總電流的80 %以上，在交流100KHZ 時占總電流的5%左右，發(fā)生了強(qiáng)烈的趨膚效應(yīng)。且該實(shí)施例在形式上也完 全體現(xiàn)趨膚效應(yīng)中心電流與表面電流的概念。
實(shí)施例2:將實(shí)施例1中的信號發(fā)送模塊38、信號耦合模塊39和中空 導(dǎo)體底面32去掉，直接將導(dǎo)線311由中空導(dǎo)體腔31的開口穿出，傳給顯示 裝置顯示中心電流。雖然導(dǎo)體外表面由中空導(dǎo)體腔31的開口處延伸到了腔 體內(nèi)部，但是由于交流電流4艮難繞過開口向腔體內(nèi)流動，所以從開口處流過 的電流非常小，呈高阻狀態(tài)，對測量結(jié)果的影響非常小，也可以相對精確地 演示趨l夫效應(yīng)。
總之，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的
保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，由電源、電流檢測器件及中空導(dǎo)體構(gòu)成，其特征在于，所述中空導(dǎo)體外表面連續(xù)或有開口，導(dǎo)體內(nèi)壁最靠近該導(dǎo)體外部兩接線端的兩端點(diǎn)連接有一根導(dǎo)線，該導(dǎo)線穿過一穿孔型霍爾電流檢測裝置，導(dǎo)體外部兩接線端分別與電源連接，并穿過另一穿孔型霍爾電流檢測裝置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，其特征在于， 當(dāng)所述中空導(dǎo)體外表面連續(xù)時，所述一穿孔型霍爾電流檢測裝置由穿孔型霍爾 電流檢測器件和磁耦合信號傳輸器件構(gòu)成，所述穿孔型霍爾電流檢測器件與磁 耦合信號傳輸器件之間為電連接。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，其特征在于， 當(dāng)所述中空導(dǎo)體外表面有開口時，所述一穿孔型霍爾電流檢測裝置的信號傳輸 線由所述開口穿出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，其特 征在于，所述電源為低于300KHZ、且頻率可調(diào)的高頻交流電源。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，其特 征在于，所述電源由300KHZ以下、且頻率可調(diào)的高頻交流電源及可與所述高 頻交流電源切換的直流電源構(gòu)成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，其特 征在于，所述中空導(dǎo)體材料為銅或鐵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直測電流型趨膚效應(yīng)演示儀器，由電源、電流檢測器件及中空導(dǎo)體構(gòu)成，所述中空導(dǎo)體外表面連續(xù)或有開口，導(dǎo)體內(nèi)壁最靠近該導(dǎo)體外部兩接線端的兩端點(diǎn)連接有一根導(dǎo)線，該導(dǎo)線穿過一穿孔型霍爾電流檢測裝置，導(dǎo)體外部兩接線端分別與電源連接，并穿過另一穿孔型霍爾電流檢測裝置。本發(fā)明通過對比不同頻率交流電作用下中心電流與表面電流的分布規(guī)律，從而可以直觀精確演示趨膚效應(yīng)。電源可以采用僅幾百千赫的交流電源，即可精確演示出明顯的趨膚效應(yīng)，其造價遠(yuǎn)低于現(xiàn)有趨膚效應(yīng)演示儀器的數(shù)十兆赫電源；并且當(dāng)采用鐵作為導(dǎo)體時，因?yàn)殍F材質(zhì)的高磁導(dǎo)率，在使用幾十千赫的交流電源時，也可以達(dá)到同樣明顯的效果，進(jìn)一步降低造價。
文檔編號G09B23/18GK101465081SQ20071030192
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者江 汪 申請人:江 汪