表皮効果について

電験の勉強中です。
漠然としてますが、表皮効果ってなんですか？
対策は電線を太くする、、、

よくわかりません。
申し訳ないですが、教えて下さい。
よろしくお願いします。

No.3 ベストアンサー 回答者： tance 回答日時： 2013/08/31 19:29

表皮効果とは、交流電流が、電線等の表面だけにしか流れない現象のことです。

よく、高周波に対する現象だと説明されているものを見かけますが、金属に交流が流れれば低周波でも存在する現象です。実際、送電線にもその中心付近には電流が流れないので中心は強度を重視してスチール線とし、表皮部分（線の外周）をアルミや銅などの電気抵抗が低い材料で構成した線が使われます。

電流が表面付近にしか流れないので、電線の断面積のうち中心部が有効には使われないことになります。従って、表皮効果により、交流の電気抵抗は高くなります。太くすると、線の周長が長くなるので有効断面積を稼ぐことができるわけです。

断面が円の電線では、表皮深さ d は 2 / (ωμρ)　の平方根で計算されます。　ωは交流の角周波数、μは金属の透磁率、ρは金属の導電率です。

実際には電線の表面から中に向かってあるカーブで電流密度が減っていくので、上記の d を超えたらとたんに電流が０になる訳ではありません。ではこの　d は物理的に何を意味しているのでしょうか。それは、その交流の抵抗が直流と同じになるとしたときの電流の深さが d ということになります。（同じ太さで厚み d のチューブに直流を流したときの抵抗が、その交流での抵抗と同じになる）

さて、上記の式から導線に交流を流す場合、表皮深さはどのくらいになるかを見てみましょう。(導線は銅だとして）
60Hz・・・・・・8.5mm
10kHz・・・・・0.66mm
1MHz・・・・・0.066mm
1GHz・・・・・0.0021mm

何故このような現象が起きるかは、ここでは詳細は説明しきれませんが、流れた電流が発生する磁界が電線の中を通るときに電磁誘導によってその電流の変化を妨げる誘導電流が線のなかに生じます。この「妨げ」が一番効くのが線の中心であり、一番効かないのが外周（表皮）なのです。

したがって、電線が磁性体だと磁界が線の中に集中して、表皮効果が顕著になります。たとえば、60Hzの交流を鉄の線に流すと表皮深さは0.85mmしかありません。銅の1/10の薄い表面にしか流れなくなります。

完全に理解するのは結構大変ですが、頑張ってください。

この回答へのお礼

詳しい解説ありがとうございます！！

お礼日時：2013/09/06 21:54

No.2 回答者： shintaro-2 回答日時： 2013/08/31 17:03

＞漠然としてますが、表皮効果ってなんですか？

大雑把に言うと、

周波数が高くなると、電線のような太さのあるものでは、電流が表面に集まるということです。
中心部の電流密度が低く、外皮側の方が電流密度が高くなります。

だから、実質的電流密度を下げるのであれば、太くするしかないということです。

逆に言うと、アンテナのようなものは中心部があっても寄与率が低いのだから、軽量化のためには中空でも良いということで、

FM,TVのアンテナの素子部分はステンレスやアルミの中空パイプで構成されています。

No.1 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2013/08/31 16:36

電磁波(光)の速度は、導体内より空気中のほうが速いですね。

真空が最速です。
導体の一方の電位が変わると、その信号は導体の表面に接する空気中を進行するほうが早くなりますから、内部と表面での速度のずれが生じます。
　電流自体は、その電磁波の進行にひこずられて電子が動くことによって現れるのですが、電子の速度自体は極めて遅くカタツムリの早さとか・・
　水道ホースに水をつめて一方をあけると、その信号は水中の音速でホース内を伝わり、他方から水が出ますが、中の水分子はわずかしか動いていないでしょ。それと同じです。
　表面と内部の信号の伝わる速度に差があるからです。
　これは周波数が高くなったり伝送経路が長いと問題になります。同軸ケーブルは逆に表皮効果だけを使って信号を伝えます。ポリエチレンなどの絶縁層を電磁波として信号を運びます。