振盪電流

大小和方向都做周期性迅速變化的電流，叫做振盪電流。是一種頻率很高的交變電流，在振盪電路中產生。

基本介紹

• 中文名：振盪電流
• 外文名：Oscillating current
• 例子：LC迴路
• 類型：交變電流
• 學科：物理

定義

振盪電流是一種交變電流，是一種頻率很高的交變電流，它無法用線圈在磁場中轉動產生，只能是由振盪電路產生。能產生振盪電流的電路叫振盪電路。其中最簡單的振盪電路叫LC迴路。

光譜診斷

研究背景

氣體開關是脈衝功率系統的關鍵部件，廣泛套用於Z箍縮、閃光照相和粒子束等領域。氣體開關的火花通道電阻會消耗能量，影響開關能量傳輸效率和負載電壓的上升時間。在直線變壓器驅動源（LTD） 中，開關火花電阻會直接影響大型LTD加速器模組的性能。同時，火花通道電阻導致的能量沉積會造成嚴重電極燒蝕， 影響脈衝功率的穩定性和可靠性。因此，氣體開關火花電阻的研究具有重要意義。

H.Akiyama研究了火花通道的電壓－電流時變特性並通過求解迴路方程的辦法獲得了μs級欠阻尼電流脈衝下的通道時變電阻。M.J.Kushner研究了不同氣體和過電壓倍數下雷射觸發間隙的通道電阻。T.P.Sorensen研究了負載電壓上升時間隨開關火花電阻的變化規律。但研究主要針對單極性脈衝，而脈衝功率系統中，為了獲得較高的能量傳輸速度，開關常工作於欠阻尼或匹配狀態，電流脈衝為衰減振盪波，此種情況下通道電阻的研究還存在不足。一般，通過火花通道電壓和電流波形測量，利用通道電壓阻性分量除以電流即可得到火花電阻，但衰減振盪電流作用下，火花電阻的測量面臨新的問題，電流周期性的過零，導致電流過零點附屬檔案出現除零錯誤，測量得到的通道電壓波形不可避免包含了電極上的壓降，在ns級快脈衝放電中，引起的誤差更為顯著。因此，衰減振盪電流下的火花電阻特性的測量仍有待進一步探索。

光譜計算理論

放電通道電漿中，電子具有最大的荷質比，最容易在電場中被加速而獲得能量，因此通道導電性主要取決於電子溫度和密度。普遍認為，火花放電通道滿足局部熱平衡（LTE） 條件，此時，電子溫度和電子密度可根據通道發射光譜信息計算得到。

電學計算結果在電流過零前後產生明顯畸變，不符合物理規律，而在電流峰值前後的電學計算結果較準確，通道電阻基本維持不變。光譜分析結果在整個電流周期中離散地從微觀角度得到火花通道電阻，兩種方法得到的火花電阻時變趨勢基本一致。隨著放電發展，火花通道電阻從絕緣狀態迅速跌落至低阻狀態，隨後逐漸降低，在200～300ns後達到穩定值，隨後基本保持不變。當氣壓為10kPa，間隙距離5mm，電流幅值7kA時，電阻穩定值為0.1Ω。3～100kPa範圍內，隨著氣壓增大，通道半徑減小，通道電阻增大。

研究結論

利用光譜診斷的方法對衰減振盪電流下火花電阻進行研究，結果表明：氮氣間隙中，火花放電通道電子溫度起始約5eV，隨後逐漸降低並穩定在2～3eV，電子密度和通道電導率均先增大後減小，電導率維持在104S量級；在衰減振盪電流作用下，隨著放電發展，火花通道電阻從絕緣狀態迅速跌落至低阻狀態，隨後逐漸降低，在200～300ns後達到穩定值，通道電阻隨時間的變化規律與電學計算結果相吻合。在3～100kPa範圍內，隨著氣壓增大，通道半徑減小，通道電阻增大。

脈衝效應

隨著電流脈衝（ECP）技術以及材料處理工藝的不斷發展，ECP作為一種新的材料處理工藝，能夠改變材料的微觀結構，改善材料的力學性能，在材料加工領域得到了廣泛套用，例如用電流脈衝輔助金屬工件切割、拉絲、滾軋、調控殘餘應力等。此外，在電流脈衝技術中，要設計合理的導體工件，用來接通電流脈衝發生裝置和所要施加的設備。為了確定這些工件的導電效率和安全係數，需要研究ECP在導體內的分布情況。

研究ECP提高材料性能的工藝以及設計傳導電流脈衝的工件，都需要研究ECP通過時的電流、電場、磁場等物理量的分布情況。在材料處理中，通常採用電容放電的方法產生高能振盪電流脈衝，改變材料性能或微觀結構。電容產生的振盪衰減電流脈衝通過材料時發生趨膚效應，Troitskii等在研究圓形截面金屬導體的“電致塑性”現象中發現趨膚效應的存在，Molotskii等研究了圓形截面電流分布的趨膚效應。在許多情況下，工件的橫截面是矩形的，例如，宋輝研 究ECP對鈦合金板材組織和性能的影響，Cai等研究電流脈衝對殘餘應力影響時採用的板狀試樣。接通電流脈衝的導體工件通常採用矩形截面，便於接通緊固。對於矩形截面工件，求解較複雜，研究文獻較少，本文分析矩形橫截面導體內衰減振盪電流脈衝通過時電流、電場、磁場、能量以及Maxwell應力張量的分布情況。

電容放電迴路分析

ECP通常利用電容放電產生。根據ECP的基本迴路，分析ECP的振盪衰減變化情況，並根據測量的通過金屬工件的電流，擬合出ECP變化的表達式。根據Maxwell方程組以及本構關係，求解出電流脈衝密度、電場強度、磁感應強度、能量和Maxwell應力張量在工件橫截面的分布函式。

圖1 電容放電電路和產生的脈衝電流

採用高壓電容器進行儲能放電產生ECP。將電容放電迴路等效成圖1（a）所示的電路。圖中，K為開關，C為電容，U₀為電容器充電電壓，R為放電迴路的總電阻，L為放電迴路的總電感，i為迴路電流。如圖1（a）所示為RLC二階串聯電路。

實驗驗證

為了驗證電流脈衝趨膚效應的存在， 對上述45碳鋼試樣淬火後，採用圖1（b）所示的電流脈衝，每4s對試樣施加一次，處理時間為40min。對45碳鋼試樣淬火處理的目的是使碳原子以過飽和狀態均勻地溶於鐵素體內。淬火工藝如下：850℃下保溫3min，完全奧氏體化，室溫下水淬。採用JEOL-JSM6700掃描顯微鏡附帶的電子探針能譜儀（EDS）分析橫截面碳原子分布情況。在電流脈衝處理前、後，橫截面沿OA線段不同深度a、b（z=0.05、0.45mm）兩處碳原子相對含量分布如圖2所示。

圖2 電流脈衝對45碳鋼淬火試樣橫截面碳原子分布的影響

由圖2看出，剛淬火後的碳鋼試樣，碳原子在橫截面均勻分布；在電流脈衝處理後，表面區（z=0.05mm）碳原子發生了較嚴重的偏聚現象，內部沒有發生明顯的偏聚現象。電流能夠促進間隙碳原子的擴散，產生偏聚現象。實驗結果表明，電流脈衝對試樣表面處碳原子偏聚現象的作用明顯大於心部，因此表面處的電流密度大於心部，表明趨膚效應的存在。

研究結論

（1）給出振盪衰減電流脈衝通過矩形截面工件時，電場強度、電流密度、磁感應強度、電磁能密度和Maxwell應力張量隨時間和空間變化的解析解。

（2）電場強度、電流密度、電磁能密度和 Maxwell應力張量主要分布在距離表面深度不大於趨膚深度d的表層區域，並且表面處數值遠遠大於心部；矩形截面工件的磁感應強度By主要分布在試樣的上下表面，Bz集中分布於試樣的棱邊區域，物理量的分布存在明顯的趨膚效應。

（3）電流脈衝對淬火碳鋼試樣矩形橫截面的碳原子的偏聚作用不同，對表面處碳原子偏聚的影響遠大於心部，證實了振盪衰減電流脈衝趨膚效應的存在。