表皮効果：交流電流が導体表面に集中する現象

物理的原因と簡単な式

表皮効果は、電流自身が生じさせる時間変化する磁場によって発生する。この磁場は循環する渦電流を誘起し、主電流が導体内部へ浸透することを妨げる方向に作用する。均質な導体では、電流密度が低下する特性距離を表皮深さといい、一般に δ = sqrt(2/(ωμσ)) と表される。ここで、ωは角周波数、μは透磁率、σは電気伝導率である。δが小さいほど、電流はより表面近くに閉じ込められる。

影響と実用上の重要性

高周波では導体の薄い外縁部分が電流の大半を担うため、実効抵抗は直流時の値に比べて上昇する。その結果、損失と発熱が増え、ケーブル、変圧器、アンテナの性能が低下する可能性がある。高精度または大電力の用途では、損失や熱的限界を見積もる際に、技術者は表皮効果を考慮しなければならない。

低減策と応用

設計者は、望ましくない影響を抑える、またはこの現象を利用するため、さまざまな手法を用いる。

• 音声周波数および低RF周波数で実効表面積を増やすための、絶縁された多数の素線からなるリッツ線。
• 導電材料を表面近くに集中させる中空・管状導体、ならびに銀めっきまたは銅めっき。
• 表面電流が挙動を決定する導波管や共振器における特殊な形状。

関連する効果と背景

表皮効果は、近接した導体が電流分布をさらに変化させる近接効果とは異なるが、両者はしばしば重なって作用する。この効果は19世紀に発展した古典電磁気学によって予測され、音響工学からマイクロ波およびRFシステムまで、実用上重要な考慮事項となっている。対照的に、定常直流電流は導体内を一様に流れる。また、超伝導体やプラズマは、量子的または集団的な効果により異なる法則に従う。

交流と直流に関する入門的な内容は電流を、金属導体の基本的性質については導体を参照。