表皮効果とは?わかりやすく解説

3種電力

表皮効果とは簡単に言えばケーブルの中心を電流が流れにくくなる現象のことです。電流の周波数が高くなるほど、より流れにくくなります。

どうしてそのような事が起こるのかを解説します。

表皮効果が起こる原理

表皮効果はケーブルを流れる電流によって磁界が生じ、その磁界によって渦電流が流れ、その渦電流が本来の電流の流れを妨げることで発生します。

文だけで考えても難しいので、図で考えます。

図2はあるケーブルに交流電流iが流れている様子です。

図1

電流が流れるとその周囲には磁界Hが生じます。それを描いたのが図2です。磁界の向きは右ねじの方向になります。

図2

磁界が生じると、今度はこの磁界を妨げる向きに電流が流れます。これはレンツの法則からです。つまりHを打ち消す方向にH’を発生させたい訳なので、図3の様な渦電流i’が流れます。

図3

この渦電流i’はケーブルの中心部分では電流iとは逆の向きに流れています。そのため電流iの流れを妨げることになります。

これが表皮効果の原理です。

どの様なときに表皮効果が起こるのか?

表皮効果は交流電流が流れるときはいつも起こります。ただし周波数が低い場合は影響は軽いです。

表皮効果の影響が大きくなるのは周波数の高い電流が流れるケースです。

この理由はファラデーの法則の式から分かります。

この式が何を意味しているかというと、1秒間あたりの磁束の変化量が大きいほど起電力が大きくなるということです。

電流の周波数が高くなると、電流の周りに生じる磁界(≒磁束)の変化量が大きくなります。そのため起電力も大きくなります。

起電力が大きくなると、その起電力により流れる渦電流も大きくなります。表皮効果の影響も大きくなります。

この様な理由で、流れる電流の周波数が高いほど表皮効果の影響が大きくなり、ケーブルの中心部を電流が流れにくくなります。

表皮効果の影響を小さくするには?

表皮効果の影響を小さくするためには、単芯ではなくより線のケーブルを使うのが効果的です。

例えばインバータで駆動するモータの筐体アースは平編線が使われることがあります。これは表皮効果の影響を小さくするためです。

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