Jeg havde en samtale med min far og svigerfar, som begge er i elektrisk relateret arbejde, og vi kom til et punkt, hvor ingen af os vidste, hvordan vi skulle gå videre. Jeg var under det indtryk, at elektricitet rejser på overfladen, mens de troede, at den rejste gennem det indre. Jeg sagde, at rejse over overfladen ville give det faktum, at de regelmæssigt bruger strandet ledning i stedet for en enkelt stor ledning til at transportere elektricitet fornuftigt.
Hvis nogen venligst kunne forklare dette for nogle ikke-fysik, men elektrisk skrånende mennesker, ville jeg blive meget værdsat.
Kommentarer
- Den dominerende sti for ledere er gennem lederen og ikke på overfladen.
- Se en ledning som en samling af mange tynde cylindriske skaller. De ydre skaller har mere tværsnitsareal sammenlignet med indre. Alle har samme længde. Derfor er modstand mindre udad. Se dette som en parallel kombination af disse, og du vil se, at strømmen er mere på den ydre del af ledningen.
- @Awesome Den aktuelle tæthed er det samme i alle skaller (dvs. strømmen pr. enheds tværsnitsareal).
- @Awesome I ‘ Jeg er temmelig sikker på, at ‘ er ikke, hvad OP bad om. Den samme strøm går gennem alle regioner, der har det samme område. (dine skaller har ikke det samme område)
- @Navin Har ‘ t det ydre område mere areal? $ A = 2 \ pi x dx $
Svar
Det afhænger af hyppigheden. DC-strøm bevæger sig gennem ledningens største tværsnit.
En skiftende elektrisk strøm (AC) oplever hudeffekt , hvor elen strømmer lettere i overfladelagene. Jo højere frekvens jo tyndere overfladelag, der kan bruges i en ledning. Ved normal husholdnings AC (50 / 60Hz) er huddybden ca. 8-10 mm, men ved mikrobølgefrekvenser er metaldybden, som strømmen strømmer i, omtrent den samme som en bølgelængde af synligt lys
rediger: Interessant punkt fra Navin – de enkelte tråde skal isoleres fra hinanden for at hudeffekten kan anvendes på hver enkelt. Det er grunden til de vidt adskilte ledningspar i dette spørgsmål Hvad er alle linjerne på et dobbelt kredsløbstårn?
Kommentarer
- Temmelig sikker på, at alle energiproduktionssystemer i USA kører ved 60 Hz – ” højspænding ” refererer bare til signalets amplitude. For mikrobølger, hvor huddybdeeffekt betyder, at det meste af metalvolumenet ikke ledes, skal du bruge bølgeledere til at føre signaler rundt.
- Det betyder, at selv meget høje strømkabler vil være lavet af et antal tyndere ledninger, fordi når de først er mere end 1/2 ” tykke, bruges midten ikke effektivt.
- Bemærk, at normal strenget ledning ikke forbedrer situationen, da strømmen stadig ser det som en stor ledning. Litz-ledning forhindrer dette ved at skifte ” inde i ” og ” udenfor ” ledning.
- Meget langdistancetransmission kan faktisk være jævnstrøm i stedet for vekselstrøm, så der ikke er nogen hudeffekt der . Men jeg tror, at mest transmission er AC. Som andre sagde, er frekvensen ikke spændingen nøglen her
- @Navin Fascinerende, jeg ‘ har aldrig set sådanne ledninger. Jeg ‘ undrer mig over, om tværsnitsformen også kunne bruges til at gøre disse højfrekvente kabler mere effektive ved at bruge noget, der har et højere perimeter-til-areal-forhold end en cirkel. Trekanter ville endda pakke bedre end cirkler. Heck, der er endda fraktaler, der tessellerer;)
Svar
Strandet ledning bruges, fordi det lettere bøjes , men det har i det væsentlige de samme ledende egenskaber.
Strøm strømmer gennem hele ledningen. Dette testes let ved at måle modstanden for runde ledninger – modstanden falder kvadratisk med radius, hvilket indikerer, at det er det tværsnitsareal, der betyder noget.
Ændring : dette svar er kun korrekt for jævnstrøm – se Becketts nedenfor for AC. De skiftende magnetfelter introducerer hvirvelstrømme, der giver hudeffekten, hvor strøm kun har tendens til at blive båret inden for “huddybden” af ledningen, som er ikke proportional med radius.
Kommentarer
- Du antager modstanden $ R = \ rho L / S $, hvor $ S $ er det område af ledningen, der aktuelt er flow (ikke nødvendigvis hele ledningens tværsnit), jeg spekulerer på, om dette holder for AC-frekvensstrømmen, for $ \ rho $ ændres også med frekvensen.
- @ C4stor at ‘ er rigtigt, det verificerer ikke ‘ at der ikke er ‘ t noget $ r $ -afhængighed af mængden af strøm, der flyder. Det verificerer dog, at strømmen ikke er ‘ t simpelthen en ” skin ” egenskab , hvor strømmen er begrænset til en fast afstand fra kanten (eller lignende centrum). Med andre ord, selvom der kan være en vis variation, er det ‘ grundlæggende en område ting, ikke en omkreds ting. De nøjagtige detaljer om, hvor de nuværende strømme er mindre interessante: P
- Det virker forkert at ignorere vekselstrømseffekterne. Se Wikipedia , det spiller ikke ‘ t en rolle i husstandens strømfordeling, men det ‘ er signifikant, når radius overstiger 1 cm.
- En anden grund til at ledningen skal strandes, er, at hvis der er en defekt på et hvilket som helst tidspunkt og går i stykker, er bruddet indeholdt til en meget lille del: den eneste fiber.
- Det faktum, at strømmen for visse typer vekselstrøm kun kører dybt, er også grunden til, at kraftledninger har en mindre ledende stålkerne (for styrke) med en mere ledende skal der kører størstedelen af den aktuelle.
Svar
Dette er lidt uafhængigt af det originale spørgsmål, men det er værd at nævne, at dette kan opstå som en almindelig misforståelse på grund af det faktum, at statisk elektricitet akkumuleres på overfladen af en leder. Selvom dette er sandt, er det korrekt, at strømmen har tendens til at strømme igennem størstedelen af en leder, og strømtætheden måles i enheder på $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.
Martins svar er også et godt punkt, hudeffekten er relevant for vekselstrøm, men medmindre du har at gøre med tomme -tyk ledning, det vil ikke virkelig gøre en forskel. Ved højere frekvenser kan strandet ledning måske hjælpe lidt, men det vil stadig være modtageligt. Der er specielle måder at tråde ledning på (som ledningstråd for at afbøde / negere effekten, men det ville ikke være nødvendigt for elnettet.
Kommentarer
- Fantastisk eksempel på litz-ledning!
Svar
I tilfælde af vekselstrøm falder strømtætheden eksponentielt med afstanden fra ledningens ydre overflade (” hudeffekten “), som forklaret af Martin Beckett. Dette kan vises analytisk fra den kvasistatiske tilnærmelse til Maxwells ligninger, som det gøres i Jackson kapitel 5.
Tilfældet med jævnstrøm er mere interessant. Først skal du angive det eksterne elektriske felt $ {\ bf E} _0 $ at ” skubber “strømmen. Dette anses normalt for at være ensartet og parallelt med ledningen. Strømmene gennem ledningen har tendens til at tiltrække hinanden og klynges derfor sammen (kendt som” klemmeeffekt “). Jævnstrømsklemmeeffekten diskuteres i http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 og http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Det viser sig, at Maxwells ligninger ikke er nok til entydigt at bestemme strømtæthedsfordelingen gennem ledningens tværsnit; du skal også angive en mikroskopisk model for ladebærerne.
På den ene yderste side kan du behandle både de positive og negative ladningsbærere som helt mobile og med samme forhold mellem ladning og masse. Dette er en god beskrivelse af strømledningen gennem plasmaer, og plasmaknuder kan være stærke nok til at knuse metal.
På den anden ekstreme side, du kan behandle de positive ladninger som helt stationære i laboratorierammen, med fast tæthed og “immun” over for de elektromagnetiske felter, idet strømmen udelukkende skyldes bevægelsen fra de mobile negative ladningsbærere. Dette er en mere realistisk model for en metaltråd, da de interatomiske og Fermi-udvekslingskræfter mellem kobberatomer er meget, meget stærkere end dem, der induceres af typiske anvendte felter og elektronstrømme. Det viser sig, at ledningens samlede lineære opladningstæthed i laboratorierammen skal være nul ved ligevægt (ellers ville det udveksle elektroner med de faste kilder og synke ved batteriet, indtil det neutraliseres), men i resten af de bevægelige elektroner skal bulkvolumen ladningstætheden være nul (ellers ville elektronerne opleve en radial elektrisk kraft, der trækker dem mod eller væk fra ledningens akse).
Ved at kombinere disse krav får du følgende billede: definer $ R $ som ledningens radius, $ \ rho_0 $ for at være tætheden af positive ioner i laboratorierammen (hvor de er ved rest), $ \ beta = v / c $, hvor $ v $ er elektronens driftshastighed som set i laboratorierammen, og $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. I laboratorierammen er den positive positive volumenopladningstæthed $ \ rho_0 $, og den negative negative volumenopladningstæthed er $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, hvilket er større i størrelsesorden. Så den samlede nettovolumenladningstæthed $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ er negativ, og der er et radielt indad elektrisk felt, hvis størrelsen stiger lineært med radius. (Den interne generation af dette radiale elektriske felt kaldes undertiden “selvinduceret Hall-effekt.”) Det elektriske felt afbalancerer den radialt indadgående tiltrækning mellem elektroner på grund af strømmen. Der er en kompenserende positiv overfladeladningstæthed $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ omkring ledningens overflade, som afbalancerer den negative volumenladning, så det radiale elektriske felt forsvinder udenfor tråden. Denne overfladeladning hviler i laboratorierammen, så den bidrager ikke til strømmen.
I elektronerammen er der ingen ladningstæthed i bulkvolumen eller radial elektrisk felt inde i ledningen. (Der er et magnetfelt fra bevægelsen af de positive ioner, men elektronerne føler det ikke, da de er i ro i denne ramme.) Overfladeladningen i denne ramme er $ \ sigma “= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, og den samlede lineære densitet i denne ramme er $ \ lambda “= 2 \ pi R \ sigma” = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. I denne ramme er der et radielt elektrisk felt uden for ledningen, som ikke påvirker elektronerne, men tiltrækker eller afviser ladede partikler uden for ledningen.
Men i en kobbertråd med typiske strømme er elektronerne ekstremt ikke-relative ($ \ beta \ ll 1 $), så nettonegativ bulkladning og positiv overfladeladning er ekstremt lille.
Svar
Som allerede nævnt er ledningsevnen bo teoretisk og empirisk proportional med tværsnitsarealet, ikke omkredsen. En intuitiv forklaring (for DC eller lavfrekvent AC) er resultatet af kræfterne mellem bevægelige elektroner i modsætning til statiske. Tænk på det som Amperes Law, Maxwells ligninger eller den relativistiske karakter af elektromagnetik – uanset hvad tiltrækker elektroner, der bevæger sig i parallelle retninger. Så den faktiske tværsnitsstrømfordeling ville være resultatet af elektronernes nettokræfter (både attraktive og frastødende), når de løber gennem ledningen. Jeg er ikke ved at beregne fordelingen, og en hurtig søgning fandt den ikke. Måske tjekke J. D. Jackson – jeg har ikke min kopi mere. Under alle omstændigheder er tiltrækningskraften mellem parallelle bevægelige elektroner nøglen til, hvorfor elektricitet strømmer gennem størstedelen af ledningen i modsætning til lige på overfladen (hvor der vil være statiske ladninger).
Tilføjelse: For AC, se http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
Svar
Jeg ville hellere lige have kommenteret, men da jeg fik en konto her bare på grund af dette, vil jeg prøve et svar, men kan ikke lade være med at prøve at omdirigere nogle af kommentarerne her.
Simpelt svar: Ja, i et ideelt tilfælde. Hvis du konstruerer modellen, vil du se, at strømtætheden krymper til nul ved lederens midterlinie, hvor E-vektoren er nul. Dette tager noget arbejde ud over udsagnet fra Maxwell ” s ligninger.
Virkeligheden er selvfølgelig ikke så skåret og tørret. Men gradienten af strømtæthed er stadig meget signifikant. Vil du vide, hvorfor Nikolai Tesla kunne demonstrere fænomenet ved hjælp af sin egen krop? Nå, her har du det.
Så brug strandet ledning til højttalerkabler, ipod-stik osv. Den samlede strømkapacitet (på grund af varme) er lavere, så led ikke dit hus med det.
Endelig er adskillelsen af kraftoverførselsledninger at reducere tab på grund af kapacitiv kobling. Men mens vi er om emnet, skal du tjekke Hoover Dam. Der kan du købe en sektion af den originale transmissionslinie fra dæmningen til nettet. Det er kobber, der er lavet af sammenlåsende radiale tværsnitsdele. Og ja, det er hul. For 60Hz.
Der er du.
For at mindske: Prøv at forstå begrebet strømtæthed i en leder.
Kommentarer
- Strandet kabel bruges til højttalere, fordi det er mere fleksibelt. Massivt kabel bruges til permanente installationer, fordi det ikke er ‘ t fleksibel, så vandt ‘ t bevæger sig og muligvis fliser. Massivt kabel bruges selv til datakabler med lav strøm i bygninger. Kapacitiv kobling er ikke ‘ t et problem i strømkablerne i linket, fordi sep-strengene er på samme fase og med samme potentiale.Endelig er de hule ledere ved hoover-dæmningen sandsynligvis for at tillade afkøling snarere end at give en 2. overflade for at reducere hudtab.
Svar
Både i det indre (bulk) og på overfladen, afhængigt af kildespænding og frekvenser. Der kræves altid overfladeladning på en ledende ledning for at etablere strømning over ledningen. Der er to typer strømtæthed $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ eller $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, afhængigt af overfladeladningsdynamikken: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.
I de fleste systemer er $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ så lille, at ledet strøm er fri for divergens (typisk drivstrøm i ledninger). Der er dog ekstraordinære systemer, således at al strøm bruges til at skifte tegn på overfladeladning på ledningen, så er strømmen grundlæggende overfladestrøm. I princippet kan et sådant system transportere strøm. Tak for at dele det gode spørgsmål og tænke ud af boksen.
Svar
Det korte svar er overfladen. At være i en bil under et lynnedslag eller højspændingsledningsfald ville dræbe dig. Tænk også på Tesla-videoerne, hvor nogen bærer en rustning og ikke dør af elektricitetsbuerne, der rammer ham i hovedet. Forskellen i potentiale fra hans hoved til hans fødder, selvom det kun er et øjeblik, er nok til at dræb ham ellers.
Kommentarer
- Dette svarer ikke ‘ t virkelig på spørgsmålet.
- Du ‘ taler om adfærd fra et Faradays bur , som ikke er ‘ t det samme som en strømførende ledning.
Svar
I” ll prøv at holde det kort og sødt; Stranded wire er i stand til at levere høj strømstyrke uden overophedning, fordi strengene deler belastningen..I.E. batterikabler på din bil. strandet ledning er overlegen i forhold til solidt, men dyrt i lange løb, så solid wire bruges til lange kørsler som til dit hus (let at slange eller bøje) solid, men fleksibel elforsyningsledning. Ja det er sandt, at der på en solid leder vil være mindre modstand i midten, det ville være nominelt. Tag f.eks. Dine husholdningsapparater, 120v leveres til dit hjem som en bølgelængde (holder spændingen konstant & hjælper med at holde ledningen fra overophedning) Undersøg nu alt, hvad du sætter i væggen, hvis det har en elektrisk motor, den kører normalt A / C ah! men alt andet kører på DC. de fleste enheder transformerer AC til DC, fordi DC kan håndtere korte kørsler med høj (Ampherage, Current, Resistance eller Load) At være en lille teknisk solid wire, der bærer A / C som en bølge, betyder at der er plads mellem bølgerne, hvor elektricitet ikke er “t flyder, hvilket hjælper med levering og afkøling, men du har brug for et omfang til at observere det …… LYKKE RAD3
Kommentarer
- Dette svarer ikke ‘ t til OP ‘ s spørgsmål om, hvorvidt strømmen er spredt ensartet over en ledning ‘ s tværsnit.