Proudí elektřina na povrchu drátu nebo v interiéru?

Závisí to na frekvenci. Stejnosměrná elektřina prochází objemovým průřezem drátu.

Měnící se elektrický proud (AC) zažívá skin-efekt , kde elektřina proudí snadněji v povrchových vrstvách. Čím vyšší je frekvence, tím tenčí je povrchová vrstva použitelná v drátu. U běžného střídavého proudu v domácnosti (50/60 Hz) je hloubka kůže asi 8–10 mm, ale na mikrovlnných frekvencích je hloubka kovu, do kterého proud proudí, přibližně stejná jako vlnová délka viditelného světla.

Zajímavý bod od Navin – jednotlivé prameny musí být od sebe izolovány, aby se efekt pokožky aplikoval na každého jednotlivě. To je důvod pro široce oddělené páry vodičů v této otázce Jaké jsou všechny linky na dvojité obvodové věži?

Komentáře

• Docela jisté, že všechny systémy výroby energie v USA fungují na 60 Hz – “ vysoké napětí “ odkazuje pouze na amplitudu signálu. U mikrovln, kde efekt hloubky kůže znamená, že většina objemu kovu nevodí, musíte k přenosu signálů použít vlnovody .
• To znamená, že i kabely velmi vysokého výkonu budou vyrobeny z řady tenčích vodičů, protože jakmile jsou silné více než 1/2 „, střed se nebude efektivně využívat.
• Pamatujte, že normální splétaný vodič situaci nezlepší, protože proud jej stále vidí jako jeden velký vodič. Litzův drát tomu brání střídáním “ uvnitř “ a “ mimo “ drát.
• Přenos výkonu na velmi dlouhou vzdálenost může být ve skutečnosti stejnosměrný, nikoli střídavý, takže zde není žádný efekt kůže . Ale myslím, že většina přenosu je AC. Jak řekli jiní, klíčem je zde frekvence, nikoli napětí.
• @Navin Fascinating, takové vodiče jsem nikdy ‚ neviděl. ‚ Zajímalo by mě, zda by tvar průřezu mohl být také použit k zefektivnění těchto vysokofrekvenčních kabelů pomocí něčeho, co má vyšší poměr obvodu k ploše než kruh. Trojúhelníky by se dokonce sbalily lépe než kruhy. Heck, there are even fractals that tessellate;)

Lankový vodič se používá, protože se snáze ohýbá , ale má v podstatě stejné vodivé vlastnosti.

Proud teče celým vodičem. To lze snadno otestovat měřením odporu kulatých vodičů – odpor bude kvadraticky klesat s poloměrem, což znamená, že na průřezové ploše záleží.

Pozměňovací návrh : tato odpověď je správná pouze pro stejnosměrný proud – střídavý proud viz Beckett níže. Měnící se magnetická pole zavádějí vířivé proudy, které vyvolávají efekt kůže, přičemž proud má tendenci být přenášen pouze v „hloubce kůže“ drátu, která není úměrná poloměru.

Komentáře

• Předpokládáte odpor $ R = \ rho L / S $, kde $ S $ je oblast vodiče, který je aktuální toku (nemusí to nutně celý průřez drátu), zajímalo by mě, jestli to platí pro střídavý kmitočtový proud, protože $ \ rho $ se také mění s frekvencí.
• @ C4stor that ‚ správně, neověřuje ‚, že neexistuje ‚ závislost $ r $ množství protékajícího proudu. Ověřuje však, že aktuální není ‚ t prostě “ skin “ vlastnost , kde je tok proudu omezen na pevnou vzdálenost od okraje (nebo podobně od středu). Jinými slovy, i když může existovat určitá variace, ‚ je to v zásadě oblastní věc, nikoli obvodová. Přesné podrobnosti o tom, kde jsou toky proudu méně zajímavé: P
• Zdá se, že je nesprávné ignorovat střídavé efekty. Viz Wikipedie , nehraje ‚ roli v distribuci energie v domácnosti, ale ‚ je významné, když poloměr přesahuje 1 cm.
• Dalším důvodem pro splétání drátu je to, že pokud dojde k poruše v kterémkoli bodě a dojde k jejímu přetržení, bude porušení omezeno na velmi malou část: to jediné vlákno.
• Skutečnost, že u určitých typů střídavého proudu proud teče jen hluboko do kůže, je také důvodem, proč mají elektrické vedení méně vodivé ocelové jádro (pro pevnost) s více vodivým pláštěm který spouští většinu proudu.

Toto trochu nesouvisí s původní otázkou, ale stojí za zmínku, že to může nastat jako běžná mylná představa, protože statická elektřina se hromadí na povrchu vodiče. I když je to pravda, je správné, že proud má tendenci protékat velikost vodiče a hustota proudu se měří v jednotkách $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.

Martinova odpověď také dává dobrý postřeh, kožní efekt je relevantní pro střídavé proudy, ale pokud nemáte co do činění s palcem -silný drát, to opravdu nezmění. U vyšších frekvencí by lanko mohlo trochu pomoci, ale stále by bylo náchylné. Existují speciální způsoby, jak splétat vodiče (například litz drát , jak tento účinek zmírnit / vyvrátit, ale to by pro síťovou elektřinu nebylo potřeba.

Komentáře

• Skvělý příklad lanka!

V případě střídavého proudu klesá hustota proudu exponenciálně se vzdáleností od vnějšího povrchu drátu („ skin effect “), jak vysvětlil Martin Beckett. To lze analyticky ukázat z kvazistatické aproximace k Maxwellovým rovnicím, jak se to děje v kapitole 5. Jackson.

Zajímavější je případ stejnosměrného proudu. Nejprve je třeba zadat externí elektrické pole $ {\ bf E} _0 $ to “ tlačí „proud. Obvykle se to považuje za rovnoměrné a rovnoběžné s vodičem. Proudy vodičem mají tendenci se navzájem přitahovat, a proto se shlukují dohromady (známé jako“ pinch effect „). Efekt pinch DC je popsán v http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 a http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Ukazuje se, že Maxwellovy rovnice nestačí k jednoznačnému určení distribuce hustoty proudu průřezem drátu; musíte také určit mikroskopický model pro nosiče náboje.

V jednom extrému můžete považovat nosiče kladného i záporného náboje za zcela mobilní a se stejnými poměry náboje k hmotnosti. Toto je dobrý popis vedení proudu plazmatem a plazmové špetky mohou být dostatečně silné, aby rozdrtily kov.

Na druhém konci, s kladnými náboji můžete zacházet jako zcela stacionární v laboratorním rámu, s pevnou hustotou a „imunní“ vůči elektromagnetickým polím, přičemž proud je zcela způsoben pohybem mobilních nosičů záporných nábojů. Jedná se o realističtější model kovového drátu, protože interatomové a Fermiho výměnné síly mezi atomy mědi jsou mnohem, mnohem silnější než ty, které jsou indukovány typickými aplikovanými poli a elektronovými proudy. Ukazuje se, že v laboratorním rámci musí být celková lineární hustota náboje drátu v rovnováze nulová (jinak by si vyměňoval elektrony s pevnými zdroji a klesal by k baterii, dokud by se neutralizoval), ale v klidovém rámci pohybujících se elektronů musí být objemový objem hustota náboje nulová (jinak by elektrony zažily radiální elektrickou sílu, která by je přitahovala k ose drátu nebo od něj).

Kombinací těchto požadavků získáte následující obrázek: definujte $ R $ jako poloměr drátu, $ \ rho_0 $ jako hustotu kladných iontů v laboratorním rámci (ve kterém jsou na rest), $ \ beta = v / c $, kde $ v $ je rychlost driftu elektronu, jak je vidět v laboratorním rámci, a $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. V laboratorním rámci je objemová kladná objemová hustota náboje $ \ rho_0 $ a hromadná záporná objemová hustota náboje je $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, což je větší velikost. Takže objemová čistá objemová hustota náboje $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ je záporná a existuje radiálně dovnitř elektrické pole, jehož velikost se lineárně zvyšuje s poloměrem. (Vnitřní generování tohoto radiálního elektrického pole se někdy nazývá „Hallovým efektem.“) Elektrické pole vyvažuje radiálně vnitřní přitažlivost mezi elektrony v důsledku toku proudu. Kolem povrchu drátu je kompenzační kladná hustota povrchového náboje $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, která vyrovnává záporný objemový náboj, takže radiální elektrické pole zmizí ven drát. Tento povrchový náboj je v klidovém stavu v laboratorním rámci, takže nepřispívá k proudu.

V rámci elektronů neexistuje objemová objemová hustota náboje ani radiální elektrický náboj pole uvnitř drátu. (Existuje magnetické pole z pohybu kladných iontů, ale elektrony to necítí, protože jsou v tomto rámci v klidu.) Povrchový náboj v tomto rámci je $ \ sigma „= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $ a celková lineární hustota v tomto rámci je $ \ lambda „= 2 \ pi R \ sigma“ = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. V tomto rámci je radiální elektrické pole mimo drát, které neovlivňuje elektrony, ale přitahuje nebo odpuzuje nabité částice mimo drát.

Ale v měděném drátu s typickými proudy jsou elektrony extrémně nerelativistické ($ \ beta \ ll 1 $), takže záporný hromadný náboj a kladný povrchový náboj jsou extrémně malé.

Jak již bylo zmíněno, vodivost je bo teoreticky a empiricky úměrný ploše průřezu, nikoli obvodu. Intuitivní vysvětlení (pro stejnosměrný nebo nízkofrekvenční střídavý proud) je výsledkem sil mezi pohybujícími se elektrony na rozdíl od statických. Představte si to jako Ampérův zákon, Maxwellovy rovnice nebo relativistickou povahu elektromagnetismu – ať tak či onak, přitahují se elektrony pohybující se v paralelních směrech. Skutečné rozdělení průřezového proudu by tedy vyplývalo z čistých sil (atraktivních i odpudivých) elektronů, které procházejí drátem. „Nechystám se vypočítat tuto distribuci a rychlé hledání ji nenašlo. Možná zkontroluji J. D. Jacksona – svoji kopii už nemám. Síla přitahování mezi paralelně se pohybujícími elektrony je klíčem k tomu, proč elektřina protéká převážnou částí drátu, nikoli jen na povrchu (kde by se nacházely statické náboje).

Dodatek: Pro střídavý proud viz http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf

Raději bych právě přidal komentář, ale protože jsem zde získal účet jen kvůli tomu, pokusím se o odpověď, ale nemohu si pomoci, ale pokusím se přesměrovat některé komentáře sem.

Jednoduchá odpověď: Ano, v ideálním případě. Pokud vytvoříte model, uvidíte, že hustota proudu se zmenší na nulu ve středové ose vodiče, kde vektor E je nula. To vyžaduje nějakou práci nad rámec prohlášení Maxwella “ s Rovnice.

Realita samozřejmě není tak krájená a vysušená. Ale gradient hustoty proudu je stále velmi významný. Chcete vědět, proč mohl Nikolaj Tesla tento jev předvést pomocí svého vlastního těla? No, tady to máte.

Takže použijte lankový vodič pro reproduktorové kabely, konektory pro iPod atd. Celková proudová kapacita (kvůli teplu) je nižší, proto do domu nezapojujte it.

A konečně, oddělení vedení pro přenos energie má snížit ztráty způsobené kapacitní vazbou. Ale když už jsme na toto téma, podívejte se na přehradu Hoover Dam. Tam si můžete koupit část původního přenosového vedení od přehrady k mřížce. Je to měď, vyrobená ze vzájemně propojených částí radiálního průřezu. A ano, je to duté. Pro 60 Hz.

Tady to máte.

Na zmírnění: Pokuste se pochopit koncept hustoty proudu ve vodiči.

Komentáře

• Splétaný kabel se používá pro reproduktory, protože je flexibilnější. Plný kabel se používá pro trvalé instalace, protože to není ‚ t flexibilní, takže se nebude ‚ hýbat a potenciálně roztřepat. Plný kabel se používá i pro nízkonapěťové datové kabely v budovách. Kapacitní vazba není div> t problém v napájecích kabelů v odkazu, protože Sepp prameny jsou na stejné fázi a na stejném potenciálu.Duté vodiče na přehradní přehradě mají nakonec umožňovat spíše chlazení než poskytnutí druhého povrchu ke snížení ztrát kůže.

V interiéru (hromadně) i na povrchu, v závislosti na zdroji napětí a frekvencích. Na vodivém vodiči je vždy vyžadován povrchový náboj, aby se zajistil tok energie po vodiči. Existují dva typy aktuální hustoty $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ nebo $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, v závislosti na dynamice povrchového náboje: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ částečné \ rho} {\ částečné t} = 0 $.

Ve většině systémů je $ \ frac {\ částečné \ rho} {\ částečné t} $ tak malý, že vedený proud neobsahuje divergenci (typický driftový proud ve vodičích). Existují však výjimečné systémy, takže veškerý proud se používá ke střídání znaménka povrchového náboje na drátu, pak je proud v podstatě povrchový. V zásadě by takový systém mohl přenášet energii. Děkujeme za sdílení dobré otázky a za myšlení mimo krabici.

Krátkou odpovědí je povrch. Být v autě během úderu blesku nebo výpadku vedení vysokého napětí by vás zabilo. Pomyslete také na videa Tesla, kde má někdo na sobě zbroj a nezemře na oblouky elektřiny, které ho zasáhly do hlavy; rozdíl v potenciálu od hlavy k nohám, i když jen na okamžik, stačí jinak ho zabijte.

Komentáře

• To ‚ na otázku opravdu neodpovídá.
• Mluvíte ‚ o chování Faradayovy klece , která není ‚ t stejné jako proudový vodič.

Já“ ll zkuste to udržet krátké a sladké; Splétaný vodič je schopen dodávat vysoký proud bez přehřátí, protože prameny rozdělují zátěž..I.E. kabely baterie na vašem autě. lankový drát je lepší než pevný, ale drahý pro dlouhé trasy, takže pevný drát se používá pro dlouhé trasy, jako je váš dům (snadno se hadí nebo ohýbá), pevné, ale flexibilní napájecí vedení elektrické společnosti. Ano, je pravda, že na pevném vodiči bude ve středu menší odpor, bylo by to nomimální. Vezměte si například domácí spotřebiče, do domácnosti se dodává vlnová délka 120 V (udržuje konstantní napětí & pomáhá před přehřátím vedení) Nyní prozkoumejte vše, co zapojíte do zdi, pokud má elektrický motor, obvykle běží A / C ah! ale vše ostatní běží na DC. většina zařízení transformuje střídavý proud na stejnosměrný proud, protože stejnosměrný proud dokáže zvládnout krátké běhy s vysokým napětím (proud, proud, odpor nebo zátěž). Být trochu technickým pevným drátem, který nese střídavý proud jako vlna, znamená, že mezi vlnami je prostor, kde není elektřina „Neproudí, což pomáhá při dodávce a chlazení, ale k jeho pozorování potřebujete prostor …… DOBRÉ ŠTĚSTÍ RAD3

Komentáře

• To neodpovídá ‚ na OP ‚ otázku, zda je aktuální proud rovnoměrně rozložen po drátu ‚ průřez.