Domanda:
L'elettricità scorre sulla superficie di un filo o all'interno?
N. Owad
2014-04-25 06:30:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Stavo conversando con mio padre e mio suocero, entrambi impegnati in lavori elettrici, e siamo arrivati ​​a un punto in cui nessuno di noi sapeva come procedere. Avevo l'impressione che l'elettricità viaggiasse in superficie mentre pensavano che attraversasse l'interno. Ho detto che viaggiare sulla superficie avrebbe reso sensato il fatto che usassero regolarmente fili intrecciati invece di un unico grande filo per trasportare l'elettricità.

Se qualcuno potesse spiegare questo per alcune persone non fisiche ma con inclinazioni elettriche, sarei molto apprezzato.

Il percorso dominante per i conduttori è attraverso il conduttore e non sulla superficie.
Visualizza un filo come una raccolta di molti gusci cilindrici sottili.I gusci esterni hanno un'area in sezione trasversale maggiore rispetto a quelli interni.Tutti hanno la stessa lunghezza.Quindi, la resistenza è meno all'esterno.Consideralo come una combinazione parallela di questi e vedrai che la corrente è ** più ** sulla parte ** esterna ** del filo.
@Awesome La densità di corrente è la stessa in tutti i gusci (cioè la corrente per unità di area della sezione trasversale).
@Awesome Sono abbastanza sicuro che non è quello che chiedeva OP.La stessa corrente attraversa tutte le regioni che hanno la stessa area.(le tue conchiglie non hanno la stessa area)
@Navin La regione esterna non ha più area? $ A = 2 \ pi x dx $
@Awesome In un certo senso, sì.Tuttavia, la stessa corrente continua attraversa tutte le regioni che hanno la stessa area.(vedi @David) Questo non è vero per AC (non per la geometria che hai descritto, ma perché le cariche in movimento interagiscono tra loro).
Nove risposte:
#1
+81
Martin Beckett
2014-04-25 09:07:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dipende dalla frequenza. L'elettricità CC viaggia attraverso la sezione trasversale del cavo.

Una corrente elettrica (CA) mutevole sperimenta l ' effetto pelle in cui l'elettricità scorre più facilmente negli strati superficiali. Maggiore è la frequenza, più sottile è lo strato superficiale utilizzabile in un filo. Alla normale corrente alternata domestica (50 / 60hz) la profondità della pelle è di circa 8-10 mm, ma alle frequenze delle microonde la profondità del metallo in cui scorre la corrente è all'incirca uguale alla lunghezza d'onda della luce visibile

modifica: Punto interessante da Navin: i singoli fili devono essere isolati l'uno dall'altro affinché l'effetto pelle si applichi a ciascuno individualmente. Questo è il motivo delle coppie di cavi ampiamente separate in questa domanda Cosa sono tutte le linee su una torre a doppio circuito?

Quindi, succede che mio padre è un guardalinee, il che significa che di solito lavora con linee alte da 69 kV a 500 kV.Non conosco la frequenza a cui viene eseguito tale potere, ma sai cosa significherà per la mia domanda?
Abbastanza sicuro che tutti i sistemi di generazione di energia negli Stati Uniti funzionano a 60 Hz - l '"alta tensione" si riferisce solo all'ampiezza del segnale.Per le microonde, dove l'effetto della profondità della pelle significa che la maggior parte del volume del metallo non è conduttivo, devi usare le [guide d'onda] (https://en.wikipedia.org/wiki/Waveguide) per trasportare i segnali.
Significa che anche i cavi di potenza molto elevata saranno costituiti da un numero di fili più sottili perché una volta che sono più spessi di 1/2 "il centro non viene utilizzato in modo efficiente.
Si noti che il normale filo intrecciato non migliorerà la situazione poiché la corrente lo vede ancora come un filo di grandi dimensioni.[Litz wire] (https://en.wikipedia.org/wiki/Litz_wire) lo impedisce alternando il filo "interno" ed "esterno".
La trasmissione di potenza a distanze molto lunghe può effettivamente essere CC anziché CA, quindi nessun effetto pelle lì.Ma penso che la maggior parte della trasmissione sia AC.Come altri hanno detto, la chiave qui è la frequenza, non la tensione
Un esempio da manuale di un corollario diretto dalle equazioni di Maxwell.
@Navin Affascinante, non ho mai visto cavi del genere.Mi chiedo se la forma della sezione trasversale potrebbe essere utilizzata anche per rendere questi cavi ad alta frequenza più efficienti utilizzando qualcosa che abbia un rapporto perimetro-area più elevato di un cerchio.I triangoli sarebbero persino migliori dei cerchi.Diamine, ci sono anche frattali che tassellano;)
#2
+31
Scott Lawrence
2014-04-25 06:40:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Il filo a trefolo viene utilizzato perché si piega più facilmente, ma ha essenzialmente le stesse proprietà conduttive.

La corrente scorre attraverso l'intero filo. Questo è facilmente verificabile misurando la resistenza dei fili tondi: la resistenza cadrà quadraticamente con il raggio, indicando che è l'area della sezione trasversale che conta.

Emendamento : questa risposta è corretto solo per corrente continua - vedere di seguito Beckett per AC. I campi magnetici mutevoli introducono correnti parassite che producono l'effetto pelle, dove la corrente tende a essere trasportata solo all'interno della "profondità della pelle" del filo, che è non proporzionale al raggio.

Stai assumendo la resistenza $ R = \ rho L / S $, dove $ S $ è l'area del filo che scorre corrente (non necessariamente l'intera sezione trasversale del filo), mi chiedo se questo vale per la corrente di frequenza CA, per $ \ rho $ cambia anche con la frequenza.
Anche se sono d'accordo con la risposta, il test che proponi non lo sta verificando, poiché anche se la corrente passasse attraverso solo il 10% del nucleo del filo, avresti la stessa dipendenza quadratica dal raggio.
@C4stor è vero, non verifica che non ci sia una qualche $ r $ -dipendenza dalla quantità di corrente che scorre.Verifica, tuttavia, che la corrente non sia semplicemente una proprietà "skin", in cui il flusso di corrente è limitato a una distanza fissa dal bordo (o allo stesso modo, dal centro).In altre parole, anche se potrebbe esserci qualche variazione, è fondamentalmente una questione di area, non di circonferenza.I dettagli esatti di dove scorre la corrente sono meno interessanti: P
Sembra sbagliato ignorare gli effetti AC.Vedi [Wikipedia] (http://en.wikipedia.org/wiki/Skin_effect#Examples), non gioca un ruolo nella distribuzione dell'energia domestica ma è significativo quando il raggio supera 1 cm.
Un altro motivo per cui il filo deve essere intrecciato è che se c'è un difetto in qualsiasi punto e si rompe, la rottura è contenuta in una porzione molto piccola: quella singola fibra.
@Davidmh sì, questo è davvero un buon punto.Sarò onesto: la mia esperienza nell'affrontare queste cose pratiche è limitata.(So che il filo intrecciato intrecciato può aiutare a ridurre anche le interferenze e viene utilizzato nei cavi Ethernet.)
Il fatto che, per alcuni tipi di CA, la corrente scorra solo in profondità è anche il motivo per cui le linee elettriche hanno un nucleo in acciaio meno conduttivo (per forza) con un guscio più conduttivo che gestisce la maggior parte della corrente.
#3
+11
krs013
2014-04-25 12:41:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Questo è un po 'estraneo alla domanda originale, ma vale la pena ricordare che questo può sorgere come un malinteso comune dovuto al fatto che l'elettricità statica si accumula sulla superficie di un conduttore. Anche se questo è vero, è corretto che la corrente tende a fluire attraverso la maggior parte di un conduttore e la densità di corrente è misurata in unità di $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.

Inoltre, la risposta di Martin è un buon punto, l'effetto pelle è rilevante per le correnti CA, ma a meno che tu non abbia a che fare con un filo spesso un pollice, non farà davvero la differenza. A frequenze più alte, un filo intrecciato potrebbe aiutare un po ', ma sarebbe comunque suscettibile. Esistono modi speciali per intrecciare il filo (come il filo litz per mitigare / annullare l'effetto, ma non sarebbe necessario per l'elettricità di rete.

Ottimo esempio di filo litz!
#4
  0
abalter
2014-04-26 00:29:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Come già accennato, la conduttività è sia teoricamente che empiricamente proporzionale all'area della sezione trasversale, non alla circonferenza. Una spiegazione intuitiva (per CC o CA a bassa frequenza) risulta dalle forze tra gli elettroni in movimento rispetto a quelli statici. Pensala come la legge di Ampere, le equazioni di Maxwell o la natura relativistica dell'elettromagnetismo: in entrambi i casi, gli elettroni che si muovono in direzioni parallele si attraggono. Quindi, l'effettiva distribuzione della corrente della sezione trasversale risulterebbe dalle forze nette (sia attraenti che repulsive) degli elettroni mentre attraversano il filo. Non sto per calcolare quella distribuzione e una rapida ricerca non l'ha trovata. Potrei controllare J. D. Jackson - Non ho più la mia copia. Ad ogni modo, la forza di attrazione tra elettroni in movimento parallelo è la chiave del motivo per cui l'elettricità scorre attraverso la maggior parte del filo invece che solo sulla superficie (dove risiederebbero le cariche statiche).

Aggiunta: per CA, vedi http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf

#5
  0
JohnnyFever
2014-04-27 11:51:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Preferirei solo commentare, ma poiché ho un account qui solo per questo motivo, cercherò di rispondere, ma non posso fare a meno di provare a reindirizzare alcuni commenti qui.

Semplice risposta: Sì, in un caso ideale. Se costruisci il modello vedrai che la densità di corrente si riduce a zero sulla linea centrale del conduttore, dove il vettore E è zero. Questo richiede un po 'di lavoro oltre l'affermazione delle equazioni di Maxwell.

La realtà ovviamente non è così semplice. Ma il gradiente di densità di corrente è ancora molto significativo. Vuoi sapere perché Nikolai Tesla ha potuto dimostrare il fenomeno usando il proprio corpo? Bene, ecco qua.

Quindi, usa fili intrecciati per cavi per altoparlanti, prese per iPod, ecc. La sua capacità di corrente totale (a causa del calore) è inferiore, quindi non cablare la tua casa con esso.

Infine, la separazione delle linee di trasmissione di potenza serve a ridurre le perdite dovute all'accoppiamento capacitivo. Ma visto che siamo in argomento, dai un'occhiata alla diga di Hoover. Lì è possibile acquistare una sezione della linea di trasmissione originale dalla diga alla rete. È in rame, costituito da parti a sezione radiale ad incastro. E sì, è vuoto. Per 60 Hz.

Ecco fatto.

Per abatterare: cerca di capire il concetto di densità di corrente in un conduttore.

Il cavo intrecciato viene utilizzato per gli altoparlanti perché è più flessibile.Il cavo solido viene utilizzato per installazioni permanenti perché non è flessibile, quindi non si muoverà e potenzialmente si sfilaccia.Il cavo solido viene utilizzato anche per cavi dati a bassa corrente negli edifici.L'accoppiamento capacitivo non è un problema nei cavi di alimentazione nel collegamento perché i trefoli separati sono sulla stessa fase e allo stesso potenziale.Infine, i conduttori cavi presso la diga di hoover sono probabilmente per consentire il raffreddamento piuttosto che per fornire una seconda superficie per ridurre le perdite di pelle.
#6
  0
tparker
2017-02-04 01:33:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Nel caso di corrente alternata, la densità di corrente diminuisce in modo esponenziale con la distanza dalla superficie esterna del filo ("effetto pelle"), come spiegato da Martin Beckett. Questo può essere mostrato analiticamente dall'approssimazione quasi statica alle equazioni di Maxwell, come è fatto nel capitolo 5 di Jackson.

Il caso della corrente continua è più interessante. Innanzitutto, è necessario specificare il campo elettrico esterno $ {\ bf E} _0 $ che "spinge" la corrente. Questo di solito è considerato uniforme e parallelo al filo. Le correnti attraverso il filo tendono ad attrarsi a vicenda e quindi a raggrupparsi (noto come "effetto pizzico"). L'effetto pizzico DC è discusso in http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305, http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119 /1.14075 e http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271. Si scopre che le equazioni di Maxwell non sono sufficienti per determinare in modo univoco la distribuzione della densità di corrente attraverso la sezione trasversale del filo; è inoltre necessario specificare un modello microscopico per i portatori di carica.

Ad un estremo, puoi trattare entrambi i portatori di carica positivi e negativi come completamente mobili e con rapporti di carica / massa uguali. Questa è una buona descrizione della conduzione della corrente attraverso il plasma e i pizzichi di plasma possono essere abbastanza forti da schiacciare il metallo.

All'altro estremo, puoi trattare le cariche positive come completamente stazionarie nel frame del laboratorio, a densità fissa, e "immuni" ai campi elettromagnetici, con la corrente dovuta interamente al movimento dei portatori di carica negativa mobili.Questo è un modello più realistico per un filo metallico, poiché le forze di scambio interatomiche e di Fermi tra gli atomi di rame sono molto, molto più forti di quelle indotte dai tipici campi applicati e dalle correnti di elettroni.Si scopre che nel frame del laboratorio, la densità di carica lineare totale del filo deve essere zero all'equilibrio (altrimenti scambierebbe gli elettroni con le sorgenti fisse e affonda nella batteria fino a neutralizzarsi), ma neltelaio di riposo degli elettroni in movimento, la densità di carica del volume di massa deve essere zero (altrimenti gli elettroni subirebbero una forza elettrica radiale che li attira verso o lontano dall'asse del filo).

Combinando questi requisiti, si ottiene la seguente immagine: definire $ R $ come il raggio del filo, $ \ rho_0 $ come la densità degli ioni positivi nel frame del laboratorio (in cui sono a riposo), $ \ beta = v / c $, dove $ v $ è la velocità di deriva dell'elettrone come si vede nel frame di laboratorio e $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. Nella cornice del laboratorio, la densità di carica del volume positivo in blocco è $ \ rho_0 $ e la densità di carica del volume negativo in blocco è $ - \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, che è maggiore in grandezza. Quindi la densità di carica del volume netto all'ingrosso $ (1 - \ gamma ^ 2) \ rho_0 = - \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ è negativa, e c'è un campo elettrico radialmente interno il cui la magnitudine aumenta linearmente con il raggio. (La generazione interna di questo campo elettrico radiale è talvolta chiamata "effetto Hall autoindotto".) Il campo elettrico bilancia l'attrazione radialmente interna tra gli elettroni dovuta al flusso di corrente. C'è una densità di carica superficiale positiva di compensazione $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ attorno alla superficie del filo che bilancia la carica del volume di massa negativa, quindi il campo elettrico radiale svanisce all'esterno il cavo. Questa carica superficiale è a riposo nel frame del laboratorio, quindi non contribuisce alla corrente.

Nella struttura degli elettroni, non c'è densità di carica del volume di massa o campo elettrico radiale all'interno del filo. (C'è un campo magnetico dal movimento degli ioni positivi, ma gli elettroni non lo sentono poiché sono a riposo in questo frame.) La carica superficiale in questo frame è $ \ sigma '= (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $ e la densità lineare totale in questo frame è $ \ lambda '= 2 \ pi R \ sigma' = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. In questo frame, c'è un campo elettrico radiale esterno al filo, che non ha effetto sugli elettoni, ma attrae o respinge le particelle cariche all'esterno del filo.

Ma in un filo di rame con correnti tipiche, gli elettroni sono estremamente non relativistici ($ \ beta \ ll 1 $), quindi la carica totale negativa netta e la carica superficiale positiva sono estremamente piccole.

#7
  0
ProfRaccoon
2018-02-07 20:48:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Sia all'interno (massa) che in superficie, a seconda della tensione e delle frequenze della sorgente.La carica superficiale è sempre richiesta su un filo conduttore, al fine di stabilire il flusso di corrente sul filo.Esistono due tipi di densità di corrente $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ o $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, a seconda delle dinamiche di carica superficiale: $ \ operatorname{div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.

Nella maggior parte dei sistemi $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ è così piccolo che la corrente condotta è priva di divergenza (tipica corrente di deriva nei fili).Esistono tuttavia sistemi eccezionali, tali che tutta la corrente viene utilizzata per alternare il segno della carica superficiale sul filo, quindi la corrente è fondamentalmente corrente superficiale.In linea di principio, un tale sistema potrebbe trasportare energia.Grazie per aver condiviso la bella domanda e per il pensiero fuori dagli schemi.

#8
-1
Steve
2014-04-26 11:54:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

La risposta breve è la superficie. Essere in macchina durante un fulmine o una caduta della linea ad alta tensione ti ucciderebbe. Pensa anche ai video di Tesla in cui qualcuno indossa un'armatura e non muore a causa degli archi elettrici che lo colpiscono alla testa; la differenza di potenziale dalla sua testa ai suoi piedi, anche se solo per un momento, è sufficiente per ucciderlo altrimenti.

Questo non risponde davvero alla domanda.
Stai parlando del comportamento di una [gabbia di Faraday] (http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage), che non è la stessa cosa di un filo che trasporta corrente.
#9
-1
user63536
2014-11-04 16:06:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Cercherò di mantenerlo breve e dolce; Il filo intrecciato è in grado di fornire un amperaggio elevato senza surriscaldarsi perché i trefoli dividono il carico..I.E. cavi della batteria sulla tua auto. Il filo a trefoli è superiore al solido ma costoso per le lunghe tirature, quindi il filo solido viene utilizzato per le lunghe tirature come per la tua casa (facile da serpeggiare o piegare) linea di fornitura elettrica solida ma flessibile. Sì, è vero che su un conduttore solido ci sarà meno resistenza al centro, sarebbe nominale. Prendi i tuoi elettrodomestici, ad esempio, 120 V viene fornito a casa tua come lunghezza d'onda (mantiene la tensione costante & aiuta a evitare il surriscaldamento della linea) Ora esamina tutto ciò che colleghi alla parete, se ha un motore elettrico di solito funziona A / C ah ! ma tutto il resto gira su DC. la maggior parte dei dispositivi trasforma l'aria condizionata in corrente continua perché la corrente continua è in grado di gestire brevi tratti con alti (amferaggio, corrente, resistenza o carico) Essere un piccolo cavo tecnico solido che trasporta A / C come un'onda significa che c'è spazio tra le onde dove l'elettricità non è scorre che aiuta nella consegna e nel raffreddamento, tuttavia avresti bisogno di un ambito per osservarlo ...... BUONA FORTUNA RAD3

Questo non risponde alla domanda dell'OP se il flusso di corrente è distribuito uniformemente sulla sezione trasversale di un filo.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
Loading...