Ich hatte ein Gespräch mit meinem Vater und meinem Schwiegervater, die beide in elektrischer Arbeit arbeiten, und wir kamen zu einem Punkt, an dem es keinen gab von uns wussten, wie es weitergehen sollte. Ich hatte den Eindruck, dass Elektrizität an der Oberfläche wandert, während sie dachten, sie wandere durch das Innere. Ich sagte, dass das Reisen über die Oberfläche die Tatsache sinnvoll machen würde, dass sie regelmäßig Litzen anstelle eines einzelnen großen Drahtes verwenden, um Elektrizität zu transportieren.
Wenn jemand dies bitte für einige nicht-physikalische, aber elektrisch geneigte Menschen erklären könnte, wäre ich sehr dankbar.
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- Der dominante Pfad für Leiter verläuft durch den Leiter und nicht auf der Oberfläche.
- Betrachten Sie einen Draht als Sammlung vieler dünner zylindrischer Schalen. Die Außenschalen haben im Vergleich zu den Innenschalen eine größere Querschnittsfläche. Alle haben die gleiche Länge. Daher ist der Widerstand weniger nach außen gerichtet. Betrachten Sie dies als eine parallele Kombination davon, und Sie werden sehen, dass der Strom im äußeren Teil des Drahtes mehr ist.
- @Awesome Die Stromdichte beträgt das gleiche in allen Schalen (dh der Strom pro Einheit Querschnittsfläche).
- @Awesome Ich ‚ bin mir ziemlich sicher, dass ‚ ist nicht das, was OP gefragt hat. Der gleiche Strom fließt durch alle Regionen mit der gleichen Fläche. (Ihre Muscheln haben nicht die gleiche Fläche)
- @Navin ‚ Hat die äußere Region nicht mehr Fläche? $ A = 2 \ pi x dx $
Antwort
Dies hängt von der Häufigkeit ab. Gleichstrom fließt durch den Volumenquerschnitt des Drahtes.
Ein sich ändernder elektrischer Strom (AC) erfährt den Hauteffekt , bei dem die Elektrizität in den Oberflächenschichten leichter fließt. Je höher die Frequenz, desto dünner ist die Oberflächenschicht, die in einem Draht verwendet werden kann. Bei normalem Wechselstrom im Haushalt (50/60 Hz) beträgt die Hauttiefe etwa 8 bis 10 mm, bei Mikrowellenfrequenzen entspricht die Tiefe des Metalls, in das der Strom fließt, etwa der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.
Bearbeiten: Interessanter Punkt von Navin – Die einzelnen Stränge müssen voneinander isoliert sein, damit der Hauteffekt auf jeden einzelnen angewendet werden kann. Dies ist der Grund für die weit auseinander liegenden Adernpaare in dieser Frage. Was sind alle Leitungen auf einem Zweikreisturm?
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- Ziemlich sicher, dass alle Stromerzeugungssysteme in den USA mit 60 Hz betrieben werden – die “ Hochspannung “ bezieht sich nur auf die Amplitude des Signals. Für Mikrowellen, bei denen der Hauttiefeneffekt bedeutet, dass der größte Teil des Metallvolumens nicht leitend ist, müssen Sie Wellenleiter verwenden, um Signale zu übertragen.
- Dies bedeutet, dass selbst sehr leistungsstarke Kabel aus einer Reihe dünnerer Drähte bestehen, da das Zentrum bei einer Dicke von mehr als 1/2 “ nicht effizient genutzt wird.
- Beachten Sie, dass normaler Litzendraht die Situation nicht verbessert, da der Strom ihn immer noch als einen großen Draht sieht. Litzendraht verhindert dies, indem “ innerhalb von “ und “ außerhalb des “ Kabels.
- Die Energieübertragung über große Entfernungen kann tatsächlich Gleichstrom statt Wechselstrom sein, sodass dort kein Hauteffekt auftritt . Aber ich denke, die meisten Übertragungen sind Wechselstrom. Wie andere sagten, ist die Frequenz, nicht die Spannung, der Schlüssel hier.
- @Navin Faszinierend, ich ‚ habe solche Drähte noch nie gesehen. Ich ‚ frage mich, ob die Form des Querschnitts auch verwendet werden könnte, um diese Hochfrequenzkabel effizienter zu machen, indem etwas verwendet wird, das ein höheres Verhältnis von Umfang zu Fläche als aufweist ein Kreis. Dreiecke würden sogar besser packen als Kreise. Heck, es gibt sogar Fraktale, die tessellieren;)
Antwort
Litzendraht wird verwendet, weil er sich leichter biegt , aber es hat im Wesentlichen die gleichen leitenden Eigenschaften.
Strom fließt durch den gesamten Draht. Dies lässt sich leicht durch Messen des Widerstands von Runddrähten testen. Der Widerstand fällt quadratisch mit dem Radius ab, was darauf hinweist, dass es auf die Querschnittsfläche ankommt.
Änderung : Diese Antwort ist nur für Gleichstrom korrekt – siehe Beckett unten für Wechselstrom. Die sich ändernden Magnetfelder führen Wirbelströme ein, die den Hauteffekt hervorrufen, wobei der Strom dazu neigt, nur innerhalb der „Hauttiefe“ des Drahtes geführt zu werden, die nicht proportional zum Radius ist.
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- Sie nehmen den Widerstand $ R = \ rho L / S $ an, wobei $ S $ der Bereich des Drahtes ist, der Strom fließt Fluss (nicht unbedingt den gesamten Querschnitt des Drahtes), ich frage mich, ob dies für den Wechselstrom gilt, denn $ \ rho $ ändert sich auch mit der Frequenz.
- @ C4stor dass ‚ ist richtig, ‚ überprüft nicht, ob es keine ‚ t $ r $ -abhängigkeit von gibt die Menge des fließenden Stroms. Es wird jedoch überprüft, ob der Strom nicht ‚ ist, sondern lediglich eine “ Skin “ -Eigenschaft , wo der Stromfluss auf einen festen Abstand von der Kante (oder ähnlich der Mitte) begrenzt ist. Mit anderen Worten, obwohl es einige Variationen geben kann, ist ‚ im Grunde eine Flächensache, keine Umfangssache. Die genauen Details, wo der Strom fließt, sind weniger interessant: P
- Es scheint falsch, die Wechselstromeffekte zu ignorieren. Siehe Wikipedia , ‚ spielt keine Rolle bei der Stromverteilung im Haushalt, aber ‚ ist signifikant, wenn der Radius 1 cm überschreitet.
- Ein weiterer Grund für das Verseilen des Drahtes besteht darin, dass bei einem Defekt an einer beliebigen Stelle und einem Bruch der Bruch sehr gering ist Teil: diese einzelne Faser.
- Die Tatsache, dass bei bestimmten Arten von Wechselstrom der Strom nur hauttief fließt, ist auch der Grund, warum Stromleitungen einen weniger leitenden Stahlkern (aus Gründen der Festigkeit) mit einer leitfähigeren Hülle haben das macht den Großteil des aktuellen aus.
Antwort
Dies hat etwas mit der ursprünglichen Frage zu tun, aber Es ist erwähnenswert, dass dies als häufiges Missverständnis aufgrund der Tatsache auftreten kann, dass sich statische Elektrizität auf der Oberfläche eines Leiters ansammelt. Dies ist zwar richtig, aber es ist richtig, dass Strom dazu neigt, durchzufließen Der Großteil eines Leiters und die Stromdichte werden in Einheiten von $ gemessen \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.
Auch Martins Antwort macht einen guten Punkt, der Hauteffekt ist für Wechselströme relevant, aber es sei denn, Sie haben es mit Zoll zu tun -dicker Draht, es wird keinen wirklichen Unterschied machen. Bei höheren Frequenzen könnte der Litzendraht ein wenig helfen, ist aber dennoch anfällig. Es gibt spezielle Möglichkeiten, Drähte zu verlegen (wie den Litzendraht , um den Effekt abzuschwächen / zu negieren, dies wäre jedoch für den Netzstrom nicht erforderlich.
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- Tolles Beispiel für Litzendraht!
Antwort
Bei Wechselstrom fällt die Stromdichte exponentiell mit dem Abstand von der Außenfläche des Drahtes ab (der“ Hauteffekt „), wie von Martin Beckett erklärt. Dies kann aus der quasistatischen Näherung analytisch gezeigt werden zu Maxwells Gleichungen, wie in Jackson Kapitel 5 beschrieben.
Der Fall des Gleichstroms ist interessanter. Zuerst müssen Sie das externe elektrische Feld $ {\ bf E} _0 $ angeben, das “ drückt „den Strom. Dies wird normalerweise als gleichmäßig und parallel zum Draht angesehen. Die Ströme durch den Draht neigen dazu, sich gegenseitig anzuziehen und sich daher zu sammeln (bekannt als“ Quetscheffekt „). Der DC-Quetscheffekt wird in http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 und http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Es stellt sich heraus, dass die Maxwell-Gleichungen nicht ausreichen, um die Stromdichteverteilung über den Drahtquerschnitt eindeutig zu bestimmen. Sie müssen auch ein mikroskopisches Modell für die Ladungsträger angeben.
In einem Extremfall können Sie sowohl die positiven als auch die negativen Ladungsträger als vollständig mobil und mit gleichen Ladungs-Masse-Verhältnissen behandeln. Dies ist eine gute Beschreibung der Stromleitung durch Plasmen, und Plasma-Quetschungen können stark genug sein, um Metall zu zerkleinern.
Im anderen Extremfall Sie können die positiven Ladungen als vollständig stationär im Laborrahmen mit fester Dichte und „immun“ gegen elektromagnetische Felder behandeln, wobei der Strom vollständig auf die Bewegung der mobilen negativen Ladungsträger zurückzuführen ist. Dies ist ein realistischeres Modell für einen Metalldraht, da die interatomaren und Fermi-Austauschkräfte zwischen Kupferatomen viel, viel stärker sind als diejenigen, die durch typische angelegte Felder und Elektronenströme induziert werden. Es stellt sich heraus, dass im Laborrahmen die gesamte lineare Ladungsdichte des Drahtes im Gleichgewicht Null sein muss (andernfalls würde er Elektronen mit den festen Quellen austauschen und an der Batterie sinken, bis sie neutralisiert ist), aber im Restrahmen der sich bewegenden Elektronen muss die Ladungsdichte des Volumenvolumens Null sein (andernfalls würden die Elektronen einer radialen elektrischen Kraft ausgesetzt sein, die sie zur Achse des Drahtes hin oder von dieser weg zieht).
Wenn Sie diese Anforderungen kombinieren, erhalten Sie das folgende Bild: Definieren Sie $ R $ als den Radius des Drahtes, $ \ rho_0 $ als die Dichte der positiven Ionen im Laborrahmen (in dem sie sich befinden) rest), $ \ beta = v / c $, wobei $ v $ die Driftgeschwindigkeit des Elektrons ist, wie im Laborrahmen zu sehen, und $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. Im Laborrahmen beträgt die Ladungsdichte des positiven Volumenvolumens $ \ rho_0 $ und die Ladungsdichte des negativen Volumenvolumens $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, was eine größere Größe ist. Die Ladungsdichte des Nettovolumenvolumens $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ ist also negativ, und es gibt ein radial nach innen gerichtetes elektrisches Feld, dessen Die Größe nimmt linear mit dem Radius zu. (Die interne Erzeugung dieses radialen elektrischen Feldes wird manchmal als „selbstinduzierter Hall-Effekt“ bezeichnet.) Das elektrische Feld gleicht die radial nach innen gerichtete Anziehung zwischen Elektronen aufgrund des Stromflusses aus. Um die Oberfläche des Drahtes herum befindet sich eine kompensierende positive Oberflächenladungsdichte $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, die die negative Volumenladung ausgleicht, sodass das radiale elektrische Feld nach außen verschwindet das Kabel. Diese Oberflächenladung befindet sich im Laborrahmen in Ruhe, trägt also nicht zum Strom bei.
Im Elektronenrahmen gibt es keine Volumenladungsdichte oder radiale Elektrizität Feld innerhalb des Drahtes. (Es gibt ein Magnetfeld von der Bewegung der positiven Ionen, aber die Elektronen fühlen es nicht, da sie in diesem Rahmen ruhen.) Die Oberflächenladung in diesem Rahmen ist $ \ sigma „= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, und die gesamte lineare Dichte in diesem Rahmen ist $ \ lambda „= 2 \ pi R \ sigma“ = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. In diesem Rahmen gibt es ein radiales elektrisches Feld außerhalb des Drahtes, das die Elektronen nicht beeinflusst, aber geladene Teilchen außerhalb des Drahtes anzieht oder abstößt.
In einem Kupferdraht mit typischen Strömen sind die Elektronen jedoch extrem nicht relativistisch ($ \ beta \ ll 1 $), sodass die negative Nettoladung und die positive Oberflächenladung extrem klein sind.
Antwort
Wie bereits erwähnt, ist die Leitfähigkeit bo theoretisch und empirisch proportional zur Querschnittsfläche, nicht zum Umfang. Eine intuitive Erklärung (für Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom) ergibt sich aus den Kräften zwischen sich bewegenden und nicht statischen Elektronen. Stellen Sie sich das als Ampere-Gesetz, Maxwell-Gleichungen oder als relativistische Natur der Elektromagnetik vor – so oder so ziehen sich Elektronen an, die sich in parallelen Richtungen bewegen. Die tatsächliche Querschnittsstromverteilung würde sich also aus den Nettokräften (sowohl anziehend als auch abstoßend) der Elektronen ergeben, wenn sie durch den Draht laufen. Ich bin nicht im Begriff, diese Verteilung zu berechnen, und eine schnelle Suche hat sie nicht gefunden. Könnte J. D. Jackson überprüfen – ich habe meine Kopie nicht mehr. Wie auch immer, die Anziehungskraft zwischen parallel bewegten Elektronen ist der Schlüssel dafür, warum Elektrizität durch die Masse des Drahtes fließt und nicht nur an der Oberfläche (wo sich statische Ladungen befinden würden).
Addition: Für Wechselstrom, siehe http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
Antwort
Ich hätte lieber nur kommentiert, aber da ich hier nur aus diesem Grund einen Account habe, werde ich versuchen, eine Antwort zu geben, kann aber nicht anders, als zu versuchen, einen Teil des Kommentars hier umzuleiten.
Einfache Antwort: Ja, im Idealfall. Wenn Sie das Modell konstruieren, werden Sie feststellen, dass diese Stromdichte an der Mittellinie des Leiters auf Null schrumpft, wobei der E-Vektor Null ist. Dies erfordert einige Arbeiten, die über die Aussage von Maxwell hinausgehen. “ s Gleichungen.
Die Realität ist natürlich nicht so geschnitten und getrocknet. Der Gradient der Stromdichte ist jedoch immer noch sehr signifikant. Möchten Sie wissen, warum Nikolai Tesla das Phänomen mit seinem eigenen Körper demonstrieren kann? Nun, hier haben Sie es.
Verwenden Sie also Litzenkabel für Lautsprecherkabel, iPod-Buchsen usw. Die Gesamtstromkapazität (aufgrund von Hitze) ist geringer, also verdrahten Sie Ihr Haus nicht mit it.
Schließlich dient die Trennung von Stromübertragungsleitungen dazu, Verluste aufgrund kapazitiver Kopplung zu reduzieren. Aber während wir uns mit diesem Thema befassen, schauen Sie sich den Hoover-Damm an. Dort können Sie einen Abschnitt der ursprünglichen Übertragungsleitung vom Damm zum Netz kaufen. Es ist Kupfer, das aus ineinandergreifenden Teilen mit radialem Querschnitt besteht. Und ja, es ist hohl. Für 60 Hz.
Los gehts.
Abatter: Bitte versuchen Sie, das Konzept der Stromdichte in einem Leiter zu verstehen.
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- Litzenkabel werden für Lautsprecher verwendet, weil sie flexibler sind. Feste Kabel werden für dauerhafte Installationen verwendet, da sie nicht ‚ t flexibel, so dass ‚ sich nicht bewegt und möglicherweise ausfranst. Festes Kabel wird auch für Datenkabel mit geringem Strom in Gebäuden verwendet. Kapazitive Kopplung ist nicht ‚ Dies ist ein Problem bei den Stromkabeln in der Verbindung, da sich die Sep-Stränge in derselben Phase und auf demselben Potenzial befinden.Schließlich sollen die Hohlleiter am Staudamm wahrscheinlich eher eine Kühlung ermöglichen als eine zweite Oberfläche zur Verringerung der Hautverluste.
Antwort
Sowohl im Innenraum (Bulk) als auch an der Oberfläche, abhängig von der Quellenspannung und den Frequenzen. Auf einem leitenden Draht ist immer eine Oberflächenladung erforderlich, um einen Stromfluss über den Draht herzustellen. Es gibt zwei Arten der Stromdichte $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ oder $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, abhängig von der Dynamik der Oberflächenladung: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partiell \ rho} {\ partiell t} = 0 $.
In den meisten Systemen ist $ \ frac {\ partiell \ rho} {\ partiell t} $ so klein, dass der geleitete Strom frei von Divergenz ist (typischer Driftstrom in Drähten). Es gibt jedoch außergewöhnliche Systeme, so dass der gesamte Strom verwendet wird, um das Vorzeichen der Oberflächenladung auf dem Draht zu wechseln, dann ist der Strom im Grunde ein Oberflächenstrom. Im Prinzip könnte ein solches System Strom transportieren. Vielen Dank, dass Sie die gute Frage geteilt und über den Tellerrand hinaus gedacht haben.
Antwort
Die kurze Antwort ist die Oberfläche. Wenn Sie während eines Blitzschlags oder eines Hochspannungsleitungsabfalls in einem Auto sitzen, werden Sie getötet. Denken Sie auch an die Tesla-Videos, in denen jemand eine Rüstung trägt und nicht an den Lichtbögen stirbt, die ihn in den Kopf treffen. Der Potentialunterschied zwischen Kopf und Füßen reicht aus, wenn auch nur für einen Moment töte ihn anders.
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- Dies ‚ beantwortet die Frage nicht wirklich.
- Sie ‚ sprechen über das Verhalten eines Faradayschen Käfigs , der nicht entspricht einem stromführenden Draht.
Antwort
I“ ll versuche es kurz und bündig zu halten; Litzendraht kann eine hohe Stromstärke ohne Überhitzung liefern, da die Litzen die Last teilen. Batteriekabel an Ihrem Auto. Litzendraht ist massiv, aber für lange Läufe zu teuer. Daher wird massiver Draht für lange Läufe verwendet, z. B. für die feste, aber flexible Versorgungsleitung Ihres Elektrizitätsunternehmens (leicht zu schlängeln oder zu biegen). Ja, es ist wahr, dass auf einem festen Leiter weniger Widerstand in der Mitte vorhanden ist, es wäre nomimnal. Nehmen Sie zum Beispiel Ihre Haushaltsgeräte, 120 V werden als Wellenlänge an Ihr Haus geliefert (hält die Spannung konstant & verhindert Überhitzung der Leitung). Untersuchen Sie nun alles, was Sie an die Wand anschließen, falls vorhanden hat einen Elektromotor, der normalerweise mit Klimaanlage betrieben wird ah! aber alles andere läuft auf DC. Die meisten Geräte wandeln A / C in DC um, da DC kurze Läufe mit hoher Spannung (Stromstärke, Strom, Widerstand oder Last) bewältigen kann. Ein kleiner technischer Massivdraht, der A / C als Welle trägt, bedeutet, dass zwischen den Wellen Platz ist, wo kein Strom vorhanden ist „t fließen, was bei der Lieferung und Kühlung hilft, aber Sie würden einen Bereich benötigen, um es zu beobachten …… VIEL GLÜCK RAD3
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- Dies ‚ beantwortet nicht die Frage des OP ‚, ob der Stromfluss gleichmäßig über einen Draht verteilt ist ‚ Querschnitt.