Estaba teniendo una conversación con mi padre y mi suegro, ambos en trabajos relacionados con la electricidad, y llegamos a un punto en el que ninguno de nosotros sabíamos cómo proceder. Tenía la impresión de que la electricidad viaja por la superficie mientras ellos pensaban que viajaba por el interior. Dije que viajar sobre la superficie haría que el hecho de que usen regularmente cables trenzados en lugar de un solo cable grande para transportar electricidad tuviera sentido.
Si alguien pudiera explicar esto para algunas personas que no son físicas pero con inclinación eléctrica, se lo agradecería mucho.
Comentarios
- La ruta dominante para los conductores es a través del conductor y no en la superficie.
- Ver un cable como un colección de muchas cáscaras cilíndricas delgadas. Las carcasas exteriores tienen más área de sección transversal en comparación con las interiores. Todos tienen la misma longitud. Por tanto, la resistencia es menos externa. Vea esto como una combinación paralela de estos y verá que la corriente es más en la parte exterior del cable.
- @Awesome La densidad de corriente es lo mismo en todas las carcasas (es decir, la corriente por unidad de área de sección transversal).
- @Awesome I ‘ estoy bastante seguro de que ‘ no es lo que estaba pidiendo OP. La misma corriente pasa por todas las regiones que tienen la misma área. (sus caparazones no tienen la misma área)
- @Navin ¿No ‘ t la región exterior tiene más área? $ A = 2 \ pi x dx $
Respuesta
Depende de la frecuencia. La electricidad de CC viaja a través de la sección transversal a granel del cable.
Una corriente eléctrica (CA) cambiante experimenta el efecto piel en el que la electricidad fluye más fácilmente en las capas superficiales. Cuanto mayor sea la frecuencia, más fina será la capa superficial que se puede utilizar en un alambre. Con CA doméstica normal (50/60 hz), la profundidad de la piel es de aproximadamente 8-10 mm, pero a frecuencias de microondas, la profundidad del metal por el que fluye la corriente es aproximadamente la misma que la longitud de onda de la luz visible
editar: Un punto interesante de Navin : los hilos individuales deben aislarse entre sí para que el efecto de piel se aplique a cada uno de forma individual. Esa es la razón de los pares de cables ampliamente separados en esta pregunta ¿Cuáles son todas las líneas en una torre de circuito doble?
Comentarios
- Bastante seguro de que todos los sistemas de generación de energía en los EE. UU. funcionan a 60 Hz: el » alto voltaje » solo se refiere a la amplitud de la señal. Para microondas, donde el efecto de profundidad de la piel significa que la mayor parte del volumen de metal no es conductor, debe usar guías de onda para transportar las señales.
- Significa que incluso los cables de potencia muy alta estarán hechos de una cantidad de alambres más delgados porque una vez que tienen más de 1/2 » de grosor, el centro no se usa de manera eficiente.
- Tenga en cuenta que el cable trenzado normal no mejorará la situación ya que la corriente todavía lo ve como un cable grande. cable Litz evita esto alternando el » dentro de » y » fuera del » cable.
- La transmisión de energía a muy larga distancia puede ser en realidad CC en lugar de CA, por lo que no hay efecto de piel allí . Pero creo que la mayor parte de la transmisión es AC. Como han dicho otros, la clave aquí es la frecuencia, no el voltaje.
- @Navin Fascinante, ‘ nunca he visto tales cables. Me ‘ me pregunto si la forma de la sección transversal también podría usarse para hacer que estos cables de alta frecuencia sean más eficientes mediante el uso de algo que tenga una relación de perímetro a área más alta que un circulo. Los triángulos incluso empacarían mejor que los círculos. Demonios, incluso hay fractales que se teselan;)
Respuesta
Se usa cable trenzado porque se dobla más fácilmente , pero tiene esencialmente las mismas propiedades conductoras.
La corriente fluye por todo el cable. Esto se prueba fácilmente midiendo la resistencia de los alambres redondos: la resistencia caerá cuadráticamente con el radio, lo que indica que lo que importa es el área de la sección transversal.
Enmienda : esta respuesta solo es correcta para la corriente continua; consulte la información de Beckett a continuación para CA. Los campos magnéticos cambiantes introducen corrientes parásitas que producen el efecto de piel, donde la corriente tiende a ser transportada sólo dentro de la «profundidad de piel» del cable, que no es proporcional al radio.
Comentarios
- Está asumiendo la resistencia $ R = \ rho L / S $, donde $ S $ es el área del cable que flujo (no necesariamente toda la sección transversal del cable), me pregunto si esto es válido para la corriente de frecuencia de CA, ya que $ \ rho $ también cambia con la frecuencia.
- @ C4stor que ‘ s correcto, no ‘ no verifica que no haya ‘ alguna dependencia de $ r $ de la cantidad de corriente que fluye. Sin embargo, verifica que la propiedad actual no sea ‘ t simplemente una » skin » , donde el flujo de corriente se limita a una distancia fija desde el borde (o de manera similar, el centro). En otras palabras, aunque puede haber alguna variación, ‘ es fundamentalmente una cosa de área, no de circunferencia. Los detalles exactos de dónde fluye la corriente son menos interesantes: P
- Parece incorrecto ignorar los efectos de CA. Consulte Wikipedia , no ‘ no juega un papel en la distribución de energía doméstica, pero ‘ s significativo cuando el radio excede 1 cm.
- Otra razón por la que el cable se enrosca es que si hay un defecto en cualquier punto y se rompe, la brecha se limita a un tamaño muy pequeño porción: esa única fibra.
- El hecho de que, para ciertos tipos de CA, la corriente fluya solo a la superficie es también la razón por la que las líneas eléctricas tienen un núcleo de acero menos conductor (para mayor resistencia) con una carcasa más conductora que ejecuta la mayor parte de la corriente.
Respuesta
Esto no tiene relación con la pregunta original, pero Vale la pena mencionar que esto puede surgir como un error común debido al hecho de que la electricidad estática se acumula en la superficie de un conductor. Si bien esto es cierto, es correcto que la corriente tiende a fluir a través de la masa de un conductor, y la densidad de corriente se mide en unidades de $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.
Además, la respuesta de Martin tiene un buen punto, el efecto de piel es relevante para las corrientes de CA, pero a menos que se trate de pulgadas -Alambre grueso, realmente no marcará la diferencia. A frecuencias más altas, el cable trenzado podría ayudar un poco, pero aún sería susceptible. Hay formas especiales de trenzar cables (como el cable litz para mitigar / anular el efecto, pero eso no sería necesario para la red eléctrica.
Comentarios
- ¡Excelente ejemplo de cable litz!
Respuesta
En el caso de la corriente alterna, la densidad de la corriente cae exponencialmente con la distancia desde la superficie exterior del cable (el» efecto piel «), como explica Martin Beckett. Esto se puede demostrar analíticamente a partir de la aproximación cuasiestática a las ecuaciones de Maxwell, como se hizo en el capítulo 5 de Jackson.
El caso de la corriente continua es más interesante. Primero, es necesario especificar el campo eléctrico externo $ {\ bf E} _0 $ que » empuja «la corriente. Esto generalmente se considera uniforme y paralelo al cable. Las corrientes a través del cable tienden a atraerse entre sí y, por lo tanto, se agrupan (conocido como» efecto de pellizco «). El efecto de pellizco de CC se analiza en http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 y http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Resulta que las ecuaciones de Maxwell no son suficientes para determinar de forma única la distribución de densidad de corriente a través de la sección transversal del cable; también necesita especificar un modelo microscópico para los portadores de carga.
En un extremo, puede tratar tanto a los portadores de carga positivos como a los negativos como completamente móviles y con las mismas proporciones de carga a masa. Esta es una buena descripción de la conducción de corriente a través de plasmas, y los pellizcos de plasma pueden ser lo suficientemente fuertes como para aplastar el metal.
En el otro extremo, puede tratar las cargas positivas como completamente estacionarias en el marco del laboratorio, a una densidad fija, e «inmunes» a los campos electromagnéticos, con la corriente debida enteramente al movimiento de los portadores de carga negativa móviles. Este es un modelo más realista para un alambre de metal, ya que las fuerzas de intercambio interatómicas y de Fermi entre átomos de cobre son mucho, mucho más fuertes que las inducidas por campos aplicados típicos y corrientes de electrones. Resulta que en el marco del laboratorio, la densidad de carga lineal total del cable debe ser cero en el equilibrio (de lo contrario, intercambiaría electrones con las fuentes fijas y se hundiría en la batería hasta que se neutralizara), pero en el marco de reposo de los electrones en movimiento, la densidad de carga del volumen total debe ser cero (de lo contrario, los electrones experimentarían una fuerza eléctrica radial que los acercaría o alejaría del eje del cable).
Combinando estos requisitos, obtiene la siguiente imagen: defina $ R $ como el radio del cable, $ \ rho_0 $ como la densidad de iones positivos en el marco del laboratorio (en el que están en rest), $ \ beta = v / c $, donde $ v $ es la velocidad de deriva del electrón como se ve en el marco del laboratorio, y $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. En el marco del laboratorio, la densidad de carga volumétrica positiva es $ \ rho_0 $ y la densidad de carga volumétrica negativa total es $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, que es mayor en magnitud. Entonces, la densidad de carga de volumen neto a granel $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ es negativa, y hay un campo eléctrico radialmente hacia adentro cuyo la magnitud aumenta linealmente con el radio. (La generación interna de este campo eléctrico radial a veces se denomina «efecto Hall autoinducido»). El campo eléctrico equilibra la atracción radial hacia adentro entre los electrones debido al flujo de corriente. Hay una densidad de carga superficial positiva compensadora $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ alrededor de la superficie del cable que equilibra la carga volumétrica negativa, por lo que el campo eléctrico radial desaparece en el exterior el alambre. Esta carga de superficie está en reposo en el marco del laboratorio, por lo que no contribuye a la corriente.
En el marco de electrones, no hay densidad de carga volumétrica aparente ni carga eléctrica radial. campo dentro del alambre. (Hay un campo magnético por el movimiento de los iones positivos, pero los electrones no lo sienten ya que están en reposo en este marco). La carga superficial en este marco es $ \ sigma «= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, y la densidad lineal total en este marco es $ \ lambda «= 2 \ pi R \ sigma» = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. En este marco, hay un campo eléctrico radial fuera del alambre, que no afecta los electones, pero atrae o repele las partículas cargadas fuera del alambre.
Pero en un cable de cobre con corrientes típicas, los electrones son extremadamente no relativistas ($ \ beta \ ll 1 $), por lo que la carga global negativa neta y la carga superficial positiva son extremadamente pequeñas.
Respuesta
Como ya se mencionó, la conductividad es bo Es teórica y empíricamente proporcional al área de la sección transversal, no a la circunferencia. Una explicación intuitiva (para CC o CA de baja frecuencia) resulta de las fuerzas entre electrones en movimiento en contraposición a los estáticos. Piense en ello como la Ley de Ampere, las Ecuaciones de Maxwell o la naturaleza relativista del electromagnetismo; de cualquier manera, los electrones que se mueven en direcciones paralelas se atraen. Por lo tanto, la distribución de corriente de la sección transversal real resultaría de las fuerzas netas (tanto atractivas como repulsivas) de los electrones a medida que atraviesan el cable. No estoy a punto de calcular esa distribución, y una búsqueda rápida no la encontré. Podría comprobar J. D. Jackson: ya no tengo mi copia. De todos modos, la fuerza de atracción entre electrones en movimiento paralelo es la clave de por qué la electricidad fluye a través de la mayor parte del cable en lugar de solo en la superficie (donde residirían las cargas estáticas).
Adición: para CA, ver http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
Respuesta
Preferiría haber comentado, pero como obtuve una cuenta aquí solo por esto, intentaré una respuesta, pero no puedo evitar intentar redirigir algunos de los comentarios aquí.
Respuesta simple: Sí, en un caso ideal. Si construye el modelo, verá que la densidad de corriente se reduce a cero en la línea central del conductor, donde el vector E es cero. Esto requiere algo de trabajo más allá de la declaración de Maxwell » s Ecuaciones.
La realidad, por supuesto, no es tan corta y seca. Pero el gradiente de densidad de corriente sigue siendo muy significativo. ¿Quieres saber por qué Nikolai Tesla pudo demostrar el fenómeno usando su propio cuerpo? Bueno, aquí lo tiene.
Por lo tanto, utilice cables trenzados para los cables de los altavoces, las tomas de ipod, etc. Su capacidad de corriente total (debido al calor) es menor, así que no cablee su casa con
Por último, la separación de las líneas de transmisión de energía tiene como objetivo reducir las pérdidas debidas al acoplamiento capacitivo. Pero ya que estamos en el tema, echa un vistazo a la presa Hoover. Allí puedes comprar una sección de la línea de transmisión original desde la presa hasta la red. Es de cobre, hecho de partes transversales radiales entrelazadas. Y sí, es hueco. Para 60Hz.
Ahí tienes.
Para mal: intenta comprender el concepto de densidad de corriente en un conductor.
Comentarios
- El cable trenzado se usa para los altavoces porque es más flexible. El cable sólido se usa para instalaciones permanentes porque no es ‘ t flexible, por lo que no ‘ t se mueve y potencialmente se deshilacha. El cable sólido se usa incluso para cables de datos de baja corriente en edificios. El acoplamiento capacitivo no es ‘ t un problema en los cables de alimentación en el enlace porque las hebras sep están en la misma fase y en el mismo potencial.Por último, los conductores huecos en la presa de aspiración probablemente permitan el enfriamiento en lugar de proporcionar una segunda superficie para reducir las pérdidas de piel.
Respuesta
Tanto en el interior (a granel) como en la superficie, dependiendo del voltaje y las frecuencias de la fuente. Siempre se requiere carga de superficie en un cable conductor para establecer un flujo de energía sobre el cable. Hay dos tipos de densidad de corriente $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ o $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, dependiendo de la dinámica de carga superficial: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.
En la mayoría de los sistemas, $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ es tan pequeña que la corriente conducida está libre de divergencia (corriente de deriva típica en los cables). Sin embargo, existen sistemas excepcionales, de modo que toda la corriente se usa para alternar el signo de carga superficial en el cable, entonces la corriente es básicamente corriente superficial. En principio, tal sistema podría transportar energía. Gracias por compartir la buena pregunta y por pensar fuera de la caja.
Respuesta
La respuesta corta es superficial. Estar en un automóvil durante un rayo o una caída de la línea de alto voltaje lo mataría. Piense también en los videos de Tesla en los que alguien lleva una armadura y no muere por los arcos de electricidad que lo golpean en la cabeza; la diferencia de potencial entre la cabeza y los pies, aunque solo por un momento, es suficiente para mátalo de lo contrario.
Comentarios
- Esto no ‘ realmente responde la pregunta.
- Estás ‘ hablando del comportamiento de una jaula de Faraday , que no es ‘ t es lo mismo que un cable portador de corriente.
Responder
I» ll trate de que sea breve y dulce; El cable trenzado es capaz de entregar un alto amperaje sin sobrecalentarse porque los hilos dividen la carga. cables de batería en su automóvil. El cable trenzado es superior al sólido pero demasiado caro para tiradas largas, por lo que se usa cable sólido para tiradas largas como para su casa (fácil de serpentear o doblar) línea de suministro de la compañía eléctrica sólida pero flexible. Sí, puede ser cierto que en un conductor sólido habrá menos resistencia en el centro, sería nominal. Tome sus electrodomésticos, por ejemplo, 120v se suministra a su hogar como una longitud de onda (mantiene el voltaje constante & ayuda a evitar que la línea se sobrecaliente). Ahora examine todo lo que conecta a la pared, si tiene un motor eléctrico que generalmente funciona con A / C ¡ah! pero todo lo demás funciona con DC. La mayoría de los dispositivos transforman el A / C en DC porque DC puede manejar recorridos cortos con alta (Ampherage, Current, Resistance o Load). Ser un cable sólido técnico que lleva el A / C como una onda significa que hay espacio entre las ondas donde no hay electricidad. «No fluye lo que ayuda en la entrega y enfriamiento, sin embargo, necesitaría un alcance para observarlo …… BUENA SUERTE RAD3
Comentarios
- Esto no ‘ t responde a la pregunta ‘ del OP de si el flujo de corriente se distribuye uniformemente a través de un cable ‘ s sección transversal.