Lélectricité circule-t-elle à la surface dun fil ou à lintérieur?

Cela dépend de la fréquence. Lélectricité CC traverse la section transversale en vrac du fil.

Un courant électrique (CA) changeant subit l effet de peau où lélectricité circule plus facilement dans les couches de surface. Plus la fréquence est élevée, plus la couche de surface utilisable dans un fil est fine. En courant alternatif domestique normal (50/60 Hz), la profondeur de la peau est denviron 8 à 10 mm, mais aux fréquences micro-ondes, la profondeur du métal dans lequel le courant circule est à peu près la même quune longueur donde de la lumière visible

modifier: Point intéressant de Navin – les brins individuels doivent être isolés les uns des autres pour que leffet peau sapplique à chacun individuellement. Cest la raison pour laquelle les paires de fils largement séparées dans cette question Quelles sont toutes les lignes dune tour à double circuit?

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• À peu près sûr que tous les systèmes de production délectricité aux États-Unis fonctionnent à 60 Hz – la  » haute tension  » se réfère simplement à lamplitude du signal. Pour les micro-ondes, où leffet de profondeur de peau signifie que la majeure partie du volume métallique nest pas conductrice, vous devez utiliser des guides dondes pour transporter les signaux.
• Cela signifie que même les câbles de très haute puissance seront constitués dun certain nombre de fils plus minces, car une fois quils auront plus de 1/2  » dépaisseur, le centre nest pas utilisé efficacement.
• Notez que le fil toronné normal naméliorera pas la situation car le courant le considère toujours comme un gros fil. Litz wire empêche cela en alternant  » à lintérieur de  » et  » à lextérieur du fil « .
• La transmission de puissance à très longue distance peut en fait être CC plutôt que CA donc pas deffet de peau là-bas . Mais je pense que la plupart des transmissions sont AC. Comme dautres lont dit, la fréquence, pas la tension, est la clé ici
• @Navin Fascinant, je ‘ nai jamais vu de tels fils. Je ‘ m me demande si la forme de la section transversale pourrait également être utilisée pour rendre ces câbles haute fréquence plus efficaces en utilisant quelque chose qui a un rapport périmètre / surface plus élevé que un cercle. Les triangles seraient même mieux emballés que les cercles. Heck, il y a même des fractales qui tessellent;)

Le fil toronné est utilisé car il se plie plus facilement , mais il a essentiellement les mêmes propriétés conductrices.

Le courant circule dans tout le fil. Ceci est facilement testé en mesurant la résistance des fils ronds – la résistance chutera de façon quadratique avec le rayon, indiquant que cest la section transversale qui compte.

Amendement : cette réponse nest correcte que pour le courant continu – voir Beckett ci-dessous pour le courant alternatif. Les champs magnétiques changeants introduisent des courants de Foucault qui produisent leffet de peau, où le courant a tendance à être transporté uniquement dans la « profondeur de peau » du fil, qui nest pas proportionnelle au rayon.

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• Vous supposez la résistance $ R = \ rho L / S $, où $ S $ est laire du fil en cours flux (pas nécessairement toute la section transversale du fil), je me demande si cela vaut pour le courant de fréquence AC, pour $ \ rho $ est également changé avec la fréquence.
• @ C4stor que ‘ est à droite, il ne ‘ t vérifier quil ny a ‘ quelque $ r $ -dépendance de la quantité de courant circulant. Il vérifie, cependant, que lactuel nest pas ‘ t simplement une propriété  » skin  » , où le flux de courant est limité à une distance fixe du bord (ou de manière similaire, du centre). En dautres termes, bien quil puisse y avoir une certaine variation, cela ‘ est fondamentalement une chose de zone, pas une chose de circonférence. Les détails exacts de lendroit où les flux actuels sont moins intéressants: P
• Il semble erroné dignorer les effets AC. Voir Wikipédia , il ne joue ‘ pas un rôle dans la distribution électrique des ménages, mais ‘ est significatif lorsque le rayon dépasse 1 cm.
• Une autre raison pour laquelle le fil est toronné est que sil y a un défaut à tout moment et se casse, la brèche est contenue à un très petit partie: cette seule fibre.
• Le fait que, pour certains types de courant alternatif, le courant ne circule que jusquà la peau est également la raison pour laquelle les lignes électriques ont un noyau en acier moins conducteur (pour la résistance) avec une coque plus conductrice qui exécute la majeure partie de la question actuelle.

Ceci na aucun rapport avec la question dorigine, mais cela vaut la peine de mentionner que cela peut survenir comme une idée fausse courante en raison du fait que lélectricité statique saccumule à la surface dun conducteur. Bien que cela soit vrai, il est correct que le courant a tendance à circuler la masse dun conducteur, et la densité de courant est mesurée en unités de $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.

De plus, la réponse de Martin fait un bon point, l’effet de peau est pertinent pour les courants alternatifs, mais à moins que vous n’ayez affaire à des pouces -câble épais, ça ne fera pas vraiment de différence. À des fréquences plus élevées, le fil toronné pourrait aider un peu, mais il serait toujours sensible. Il existe des méthodes spéciales pour brouiller le fil (comme le fil litz pour atténuer / annuler leffet, mais cela ne serait pas nécessaire pour lélectricité du secteur.

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• Excellent exemple de fil litz!

Dans le cas du courant alternatif, la densité de courant diminue de façon exponentielle avec la distance de la surface extérieure du fil (« effet peau »), comme lexplique Martin Beckett. Ceci peut être montré analytiquement à partir de lapproximation quasi-statique aux équations de Maxwell, comme cela est fait dans le chapitre 5 de Jackson.

Le cas du courant continu est plus intéressant. Tout dabord, vous devez spécifier le champ électrique externe $ {\ bf E} _0 $ que  » pousse « le courant. Ceci est généralement considéré comme uniforme et parallèle au fil. Les courants à travers le fil ont tendance à sattirer les uns les autres et donc à se regrouper (connu sous le nom d  » effet de pincement « ). Leffet de pincement CC est discuté dans http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 et http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Il savère que les équations de Maxwell ne sont pas suffisantes pour déterminer uniquement la distribution de densité de courant à travers la section transversale du fil; vous devez également spécifier un modèle microscopique pour les porteurs de charge.

À un extrême, vous pouvez traiter les porteurs de charge positifs et négatifs comme complètement mobiles et avec des rapports charge / masse égaux. Ceci est une bonne description de la conduction du courant à travers les plasmas, et les pincements de plasma peuvent être suffisamment forts pour écraser le métal.

À lautre extrême, vous pouvez traiter les charges positives comme complètement stationnaires dans le cadre du laboratoire, à densité fixe, et «immunisées» aux champs électromagnétiques, le courant étant entièrement dû au mouvement des porteurs de charges négatives mobiles. Il sagit dun modèle plus réaliste pour un fil métallique, car les forces déchange interatomique et de Fermi entre les atomes de cuivre sont beaucoup, beaucoup plus fortes que celles induites par les champs appliqués et les courants délectrons typiques. Il savère que dans le cadre du laboratoire, la densité de charge totale linéaire du fil doit être nulle à léquilibre (sinon, il échangerait des électrons avec les sources fixes et descendrait à la batterie jusquà ce quelle soit neutralisée), mais dans le cadre de repos des électrons en mouvement, la densité de charge du volume en vrac doit être nulle (sinon les électrons subiraient une force électrique radiale les attirant vers ou loin de laxe du fil).

En combinant ces exigences, vous obtenez limage suivante: définissez $ R $ comme étant le rayon du fil, $ \ rho_0 $ comme la densité des ions positifs dans le cadre du laboratoire (dans lequel ils sont à rest), $ \ beta = v / c $, où $ v $ est la vitesse de dérive de lélectron comme vu dans le cadre du laboratoire, et $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. Dans le cadre du laboratoire, la densité de charge volumique positive en vrac est $ \ rho_0 $ et la densité de charge volumique négative en vrac est $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, qui est plus grande en magnitude. Ainsi, la densité de charge volumique nette globale $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ est négative, et il existe un champ électrique radialement intérieur dont la magnitude augmente linéairement avec le rayon. (La génération interne de ce champ électrique radial est parfois appelée «effet Hall auto-induit».) Le champ électrique équilibre lattraction radialement vers lintérieur entre les électrons due au flux de courant. Il y a une densité de charge de surface positive compensatrice $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ autour de la surface du fil qui équilibre la charge de volume en vrac négative, de sorte que le champ électrique radial disparaît à lextérieur le fil. Cette charge de surface est au repos dans le cadre du laboratoire, donc elle ne contribue pas au courant.

Dans le cadre des électrons, il ny a pas de densité de charge volumique apparente ou électrique radiale (Il y a un champ magnétique du mouvement des ions positifs, mais les électrons ne le sentent pas puisquils sont au repos dans ce cadre.) La charge de surface dans ce cadre est $ \ sigma « = ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, et la densité linéaire totale dans ce cadre est $ \ lambda « = 2 \ pi R \ sigma » = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. Dans ce cadre, il y a un champ électrique radial à lextérieur du fil, qui naffecte pas les électons, mais attire ou repousse les particules chargées à lextérieur du fil.

Mais dans un fil de cuivre avec des courants typiques, les électrons sont extrêmement non relativistes ($ \ beta \ ll 1 $), donc la charge globale négative nette et la charge de surface positive sont extrêmement minuscules.

Comme déjà mentionné, la conductivité est bo th théoriquement et empiriquement proportionnel à laire de la section transversale, et non à la circonférence. Une explication intuitive (pour DC ou AC basse fréquence) résulte des forces entre les électrons en mouvement par opposition aux électrons statiques. Pensez-y comme la loi dAmpère, les équations de Maxwell ou la nature relativiste de lélectromagnétique – de toute façon, les électrons se déplaçant dans des directions parallèles sattirent. Ainsi, la distribution réelle du courant en coupe transversale résulterait des forces nettes (à la fois attractives et répulsives) des électrons lorsquils se déplacent à travers le fil. Je ne suis pas sur le point de calculer cette distribution, et une recherche rapide ne la pas trouvée. Peut-être vérifier J. D. Jackson – Je nai plus ma copie. Quoi quil en soit, la force dattraction entre les électrons en mouvement parallèle est la clé de la raison pour laquelle lélectricité circule dans la majeure partie du fil plutôt que juste à la surface (où les charges statiques résideraient).

Ajout: Pour le courant alternatif, voir http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf

Jaurais préféré juste commenter, mais comme jai un compte ici juste à cause de cela, je vais tenter une réponse, mais je ne peux pas mempêcher dessayer de rediriger une partie du commentaire ici.

Réponse simple: Oui, dans un cas idéal. Si vous construisez le modèle, vous verrez que cette densité de courant se réduit à zéro au niveau de la ligne médiane du conducteur, où le vecteur E est nul. Cela demande du travail au-delà de lénoncé de Maxwell  » s Equations.

La réalité nest bien sûr pas si simple. Mais le gradient de densité de courant est toujours très important. Voulez-vous savoir pourquoi Nikolai Tesla a pu démontrer le phénomène en utilisant son propre corps? Eh bien, vous l’avez.

Alors, utilisez un fil toronné pour les câbles de haut-parleur, les prises iPod, etc. La capacité totale de courant (due à la chaleur) est inférieure, alors ne câblez pas votre maison avec

Enfin, la séparation des lignes de transport délectricité a pour but de réduire les pertes dues au couplage capacitif. Mais pendant que nous sommes sur le sujet, consultez le barrage Hoover. Là, vous pouvez acheter une section de la ligne de transmission dorigine du barrage au réseau. Cest du cuivre, fait de pièces de section transversale radiale imbriquées. Et oui, cest creux. Pour 60 Hz.

Voilà.

Pour résumer: essayez de comprendre le concept de densité de courant dans un conducteur.

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• Un câble toronné est utilisé pour les haut-parleurs car il est plus flexible. Un câble solide est utilisé pour les installations permanentes car il n’est pas ‘ t flexible donc gagné ‘ t bouger et potentiellement seffilocher. Un câble solide est utilisé même pour les câbles de données à faible courant dans les bâtiments. Le couplage capacitif nest pas ‘ t un problème dans les câbles dalimentation de la liaison car les brins sep sont sur la même phase et au même potentiel.Enfin, les conducteurs creux au niveau du barrage aspirateur sont probablement pour permettre le refroidissement plutôt que pour fournir une 2ème surface pour réduire les pertes cutanées.

À la fois à lintérieur (en vrac) et en surface, selon la tension et les fréquences de la source. Une charge de surface est toujours requise sur un fil conducteur, afin détablir un flux dénergie sur le fil. Il existe deux types de densité de courant $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ ou $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, selon la dynamique de charge de surface: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.

Dans la plupart des systèmes, $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ est si petit que le courant conduit est exempt de divergence (courant de dérive typique dans les fils). Il existe cependant des systèmes exceptionnels, tels que tout le courant est utilisé pour alterner le signe de charge de surface sur le fil, alors le courant est essentiellement un courant de surface. En principe, un tel système pourrait transporter de lénergie. Merci de partager la bonne question et davoir réfléchi hors de la boîte.

La réponse courte est la surface. Être dans une voiture pendant un coup de foudre ou une chute de ligne à haute tension vous tuerait. Pensez également aux vidéos de Tesla où quelquun porte une armure et ne meurt pas des arcs délectricité le frappant à la tête; la différence de potentiel entre sa tête et ses pieds, bien que pour un instant seulement, suffit à tuez-le autrement.

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• Cela ne ‘ pas vraiment répondre à la question.
• Vous ‘ parlez du comportement dune cage de Faraday , qui nest pas ‘ t identique à un fil porteur de courant.

Je » ll essayez de le garder court et doux; Le fil toronné est capable de fournir un ampérage élevé sans surchauffe car les torons divisent la charge..I.E. câbles de batterie sur votre voiture. le fil toronné est supérieur au solide mais trop cher pour les longues distances, donc le fil solide est utilisé pour les longues distances, comme pour votre maison (facile à serpenter ou à plier), ligne dalimentation électrique solide mais flexible. Oui il mabe vrai que sur un conducteur solide il y aura moins de résistance au centre, ce serait nomimnal. Prenez vos appareils électroménagers par exemple, 120 V est fourni à votre maison sous forme de longueur donde (maintient la tension constante & aide à empêcher la ligne de surchauffer) Maintenant, examinez tout ce que vous branchez au mur, si a un moteur électrique, il fonctionne généralement A / C ah! mais tout le reste fonctionne sur DC. la plupart des appareils transforment le climatiseur en courant continu car le courant continu peut gérer de courtes distances avec une intensité élevée (ampérage, courant, résistance ou charge). Être un petit fil solide technique transportant le climatiseur sous forme donde signifie quil y a un espace entre les ondes là où lélectricité nest pas « t coulant qui aide à la livraison et au refroidissement mais vous auriez besoin dune portée pour lobserver …… GOOD LUCK RAD3

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• Cela ne ‘ t répondre à la question de l’OP ‘ de savoir si le flux actuel est réparti uniformément sur un fil ‘.