鄰近效應

在電磁學中，鄰近效應（英語：proximity effect）是指在攜帶交流電（AC）的相鄰平行電導體中，由於磁效應而引起的電流重新分布現象。在相鄰導體中若交流電方向相同，導體內的電流會集中到遠離鄰近導體的一側；若電流方向相反，電流則集中到靠近鄰近導體的一側。鄰近效應由另一個導體隨時間變化的磁場，即通過電磁感應在導體內感應出的渦電流引起。例如，在多匝且相鄰匝並列的交流電線圈中，每根導線內的電流會集中到朝外的細條帶上。該「電流擁擠」現象使得電流占據導體的有效橫截面積減小，增大了電流密度和導體的交流電阻。隨著頻率的增加，導體一側電流的集中程度增大，因此在較高頻率時，帶相同電流的相鄰導線的電阻會更高。

解釋

兩個並列導線在相同方向攜帶交流電時鄰近效應的形成。電流I，紅色箭頭。一根導線的磁場B，綠色線在另一根導線上感應出環形渦流E。圖中右側導線的上半部分被透明化以顯示金屬內部的電流。渦流在鄰近側沿主電流的反方向流動(1)，使該處電流減小；而在遠側與主電流同向流動(2)，使該處電流增大。橫截面上的箭頭和色階(3)示意了導線內電流分布，藍色表示低電流，綠色、黃色和紅色依次表示電流增大。

兩根導線在相反方向攜帶交流電時的鄰近效應。^[1] 在此情況下，左側導線的磁場B，綠色線穿過右側導線的方向向下，因此渦流E呈逆時針方向環繞。渦流在與另一導線相鄰的一側(1)與主電流同向，使其增大；而在遠側(2)與主電流逆向，使其減小。

隨時間變化的磁場會通過電磁感應影響流經導體內的電流分布。^[1][2]:p.141當交流電流流過導體時，會在其周圍產生交變磁場。交變磁場在相鄰導體中感應出渦電流，改變這些導體內流動的電流總分布。因此，電流會被集中到遠離攜帶相同方向電流的相鄰導體的導體區域。

與直流電相比，鄰近效應會顯著增加相鄰導體的交流電阻。該效應隨著頻率增加而增強。在高頻下，導體的交流電阻很容易超過其直流電阻的十倍以上。

例子：兩根並行導線

鄰近效應的成因可從並列導線的示意圖中看出，這兩根導線並列且攜帶交流電。^{[1][2]:p.142-143}每幅圖中右側導線的上半部分為透明以顯示金屬內部的電流。每幅圖描繪了交流電周期中電流正在增加的某一瞬間。

電流同方向

在第一幅圖中，兩根導線中的電流方向相同。左側導線產生的環形磁場穿過另一根導線。根據右手定則，這些磁力線穿過導線的方向為向上。依據法拉第電磁感應定律，當隨時間變化的磁場正在增強時，它在導線內部沿磁力線周圍會產生順時針方向的環形電流。這些稱為渦電流。

在靠近另一根導線的左側(1)，渦流方向與導線內的主電流相反，因此它抵消主電流，使該處電流減小。在右側(2)，渦流與主電流同向，因此增強了主電流。淨效應是將導線橫截面的電流重新分布為位於遠離另一根導線一側的細條帶。橫截面上的紅色箭頭和色階(3)顯示了電流分布，藍色表示低電流，綠色、黃色、紅色依次表示電流增大。

用同樣的分析方法，也能推斷出左側導線內的電流同樣被集中到遠離另一根導線的遠側。

在交流電中，導線內的電流有一半時間在增加，另一半時間在減小。當導線中的電流開始減小時，渦流的方向會反轉，從而使電流的再分布也隨之逆向。

電流反方向

在第二幅圖中，兩根導線的交流電方向相反；在左側導線中電流指向頁面內，在右側導線中電流指向頁面外。這種情況出現在交流電源電纜中，兩個導線中的電流方向始終相反。在此情況下，由於電流方向相反，根據右手定則，左側導線產生的磁場在右側導線內的方向為向下，而不是第一幅圖中的向上。依據法拉第定律，環形渦流呈逆時針方向。

在靠近另一根導線的左側(1)，渦流現在與主電流同向，因此增強主電流。在右側(2)，渦流與主電流逆向，使其減小。與前一情況相反，淨效應是將電流重新分布為集中在靠近另一根導線的一側的細條帶。

影響

用於高頻無線電發射機的電感器，為減少鄰近效應引起的電阻而採取的結構。線圈限制為單層，並且匝間有間隔。

額外的電阻會增加功率損耗，在電力電路中可能產生不良的發熱。鄰近效應和集膚效應顯著增加了高頻下高效變壓器和電感元件的設計難度，例子包括用於開關模式電源的元件。

在用於無線設備的射頻LC電路中，電感器的鄰近效應和集膚效應損耗會降低其品質因子，從而增寬帶寬。為儘量減少此類損耗，高頻電感器採用特殊結構。繞組通常限制為單層，並且匝與匝之間常有間隔以分離導體。在多層線圈中，連續層通常以交錯方式繞制，避免導線彼此平行；這些結構有時稱為「籃式繞組（英語：Basket winding）」或「蜂巢」線圈。由於電流在導體表面流動，高頻線圈有時會進行鍍銀處理，或使用辮線。

Dowell 損耗計算方法

該一維方法用於變壓器，假定導線具有矩形橫截面，但可通過將圓形導線視為具有相同截面積的正方形來近似應用於圓形導線。

繞組被劃分為「部分」（portion），每個部分為包含一個磁動勢（MMF）為零位置的層組。對於帶有獨立初級和次級繞組的變壓器，每個繞組為一個部分。對於交錯（或分節）繞組的變壓器，最內層和最外層各為一部分，其他各部分在零磁動勢處被分為兩部分。部分總電阻由下式給出：^[3]

在不同頻率下（δ為集膚深度）條形繞組某一部分的交流/直流電阻比圖。可見增加層數會在高頻時顯著增加電阻。

$${\displaystyle R_{\text{AC}}=R_{\text{DC}}\left(\operatorname {Re} (M)+{\frac {(m^{2}-1)\operatorname {Re} (D)}{3}}\right)}$$

• R_DC 為該部分的直流電阻
• Re(·) 表示括號內表達式的實部
• m 為該部分的層數，該值應為整數
• ${\displaystyle M=\alpha h\coth(\alpha h)}$ *${\displaystyle D=2\alpha h\tanh(\alpha h/2)}$
• ${\displaystyle \alpha ={\sqrt {\frac {j\omega \mu _{0}\eta }{\rho }}}}$
  • ${\displaystyle \omega }$ 表示電流的角頻率
  • ${\displaystyle \rho }$ 為導體材料的電阻率
  • ${\displaystyle \eta =N_{l}{\frac {a}{b}}}$N_l 為每層的匝數
    • a 為方形導體的邊寬
    • b 為繞組窗口的寬度
    • h 為方形導體的高度