趋肤效应(Skin Effect)，又名“集肤效应”，最早于1883年，由贺拉斯·兰姆在其论文中提及。相信禾粉们多少是有点电磁学背景的，想必对于“趋肤效应”应该并不陌生。但是对于“趋肤效应”的了解，仅限于一句行业黑话——“导线中的电子集中在金属的表面”，在此基础上，恕我直言，大部分人但凡再多说一个字，那都属于瞎编。不过别慌，今天小禾课堂就来详细讲一讲这个“趋肤效应”。
什么是趋肤效应？
在讲趋肤效应之前，先举个“栗子”。当我们慢速行走在步行街上时，行人会很默契的保持彼此的距离，街上的人基本是均匀分布在一整条街道内的。
场景转换一下，假如我们行走在有机动车道的道路上，你会发现行人不由自主地就会靠在道路两边行走。中间的车速越快，由于心理作用，你本能地就越想往边上靠拢。要问为什么，那是因为谁也不想被车撞到—— “疼”。
有了这个图做解释，想必聪明的你已经知道趋肤效应的大概内容啦。当交变电流通过导体时，由于感应作用，会引起导体截面上电流分布的不均匀性，具体表现为愈接近导体表面，电流密度越大，好像电子更趋向于在导体的皮肤层行走，这种现象就被称为“趋肤效应”，同时形象的阐述了这个名字的由来。
下图是个导体截面图，示意了导体内原子核和核外自由电子的分布。首先要明确原子核是不会移动的。“趋肤效应”形容的只是这些看似满满“松弛感”的自由电子在一股神秘力量的作用下，竟然都愿意跑到边缘行走的现象。
趋肤效应的原理？
“趋肤效应”的机理是什么呢？是怎样形成了这股神秘的力量呢？其实，这个很好理解。当电流通过导体时，根据安培定律会产生如下的感应磁场。
单凭这个感应磁场还不足以对导体内部的电子或电流分布产生影响。当穿过传输线的信号交流工作时，感应磁场也会发生周期变化，导体的磁通量发生了变化，那么就产生了交变电场。楞次定律是这样说的，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。有了前辈这句话，那就别怪小禾君“拿着鸡毛当令箭”啦！显然，所有的磁通量都穿过导体的中心，那么中心的磁通量变化肯定是最多的，也就是形成的这个逆向的电流也就越大，对电流阻碍的作用也就最大。电流最终是哪里阻力小就往哪里流啦，结果就是接近导体表面的电流密度最高。
换个思路再来说明趋肤效应，众所周知，我们生活中大部分电磁场都属于准TEM模，这个TEM模有个特点，那就是电场磁场和电磁波传播方向两两垂直。电磁波是沿着导体传播的，确切说是沿着导体形成的传输线传播的。那么上面说到磁场的方向已经确定了，那么电场的方向就如下图所示。看到这里你肯定认为感应电场由内指向外，那么电子沿着电场的反方向运动，岂不是导体中间的电流密度很高才对？其实不然，要知道感应电场是原子核没有动的前提下，电子移动后才产生的电场。并不是先有的电场再有电子移动，这一点禾粉千万不要搞昏了头。
趋肤深度又是什么？
既然靠近金属表面的电流密度更高，那么这个表层相对于内层来讲，究竟有多拥挤呢？这就引出了趋肤深度的定义。
趋肤深度（Skin Depth），是量化趋肤效应的一个重要参数，它定义了从导体表面开始电流密度减小为通过直流电流时的电流密度1/e（约37%）时它所穿透进导体内部的深度。以半导体表面为基准点0，以直流通过导体时的电流密度为基准密度。
知道了趋肤深度的定义，还要知道趋肤深度计算公式：
其中ω表示角频率，σ表示电导率。μ表示磁导率。
常见导体的趋肤深度表
具体计算的excel已经上传到知识星球——“芯评气和”。这里还包含了后面HFSS两个工程实例。
趋肤效应如何仿真
俗话说得好—— “光说不练假把式”。究竟导体内的电流密度是不是像我们预计的那样集中在导体表层呢？我们分别拿圆柱体导线和长方体导线两个模型来简单做一个电磁仿真，验证一下电磁场和电流密度的分布。用到的仿真工具就是“海飞丝”。内部金属(铜)直径1mm，外部真空材料直径2.4mm，长度15mm。
然后，仿真器中设置求解频率为100kHz，使用excel计算得到此时趋肤深度约0.2mm。这样和直径数量级相当，应该能在界面看到比较明显的变化趋势。
仿真结束后，我们先plot电场方向，看到电场却如之前分析的那样，垂直金属表面。
再看一下磁场方向，磁场的方向为导体切向，这也佐证了之前的分析。
最终，看一下电流密度，果然导体表面的电流密度比内部大不少。简直是完美的闭环。
我们再做一个长方体导体，同样的仿真和设置方法，电场方向看起来有点凌乱，不过在每个棱上还是看到有比较集中的电场存在的。
这里看到，磁场方向依然是与金属表面相切的。
再看一下电流密度的分布情况，依然是内层低，外层高。有意思的是，在四条楞上，电流密度确实最高的，有兴趣看到这里的禾粉可以思考一下，为什么是这样？
总结
”趋肤效应”是一个至关重要的现象，它描述了当高频交流电通过导体时，电流分布趋向于导体表面，而非均匀分布于整个导体截面的现象。这种效应对于高频电路的设计、电磁屏蔽、无线电波传播以及雷达技术等领域具有深远的影响。
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