Stavo conversando con mio padre e mio suocero, entrambi impegnati in lavori elettrici, e siamo arrivati a un punto in cui nessuno di noi sapevano come procedere. Avevo limpressione che lelettricità viaggiasse in superficie mentre pensavano che attraversasse linterno. Ho detto che viaggiare sulla superficie avrebbe reso sensato il fatto che usassero regolarmente fili intrecciati invece di un unico grande filo per trasportare lelettricità.
Se qualcuno potesse spiegare questo per alcune persone non fisiche ma con inclinazioni elettriche, sarei molto apprezzato.
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- Il percorso dominante per i conduttori è attraverso il conduttore e non sulla superficie.
- Visualizza un filo come un raccolta di molte conchiglie cilindriche sottili. I gusci esterni hanno unarea in sezione trasversale maggiore rispetto a quelli interni. Tutti hanno la stessa lunghezza. Quindi, la resistenza è meno allesterno. Visualizza questo come una combinazione parallela di questi e vedrai che la corrente è maggiore sulla parte esterna del cavo.
- @Awesome La densità di corrente è lo stesso in tutte le shell (ovvero la corrente per unità di area della sezione trasversale).
- @Awesome I ‘ sono abbastanza sicuro che ‘ non è quello che chiedeva OP. La stessa corrente attraversa tutte le regioni che hanno la stessa area. (le tue conchiglie non hanno la stessa area)
- @Navin ‘ t la regione esterna ha più area? $ A = 2 \ pi x dx $
Risposta
Dipende dalla frequenza. Lelettricità CC viaggia attraverso la sezione trasversale del cavo.
Una corrente elettrica (CA) mutevole subisce l effetto pelle in cui lelettricità fluisce più facilmente negli strati superficiali. Maggiore è la frequenza, più sottile è lo strato superficiale utilizzabile in un filo. Alla normale corrente alternata domestica (50 / 60hz) la profondità della pelle è di circa 8-10 mm, ma alle frequenze delle microonde la profondità del metallo in cui scorre la corrente è allincirca uguale a una lunghezza donda della luce visibile
modifica: Punto interessante da Navin : i singoli fili devono essere isolati luno dallaltro affinché leffetto pelle si applichi a ciascuno individualmente. Questo è il motivo delle coppie di cavi ampiamente separate in questa domanda Cosa sono tutte le linee su una torre a doppio circuito?
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- Abbastanza sicuro che tutti i sistemi di generazione di energia negli Stati Uniti funzionino a 60 Hz – l ” alta tensione ” si riferisce solo allampiezza del segnale. Per le microonde, dove leffetto della profondità della pelle significa che la maggior parte del volume del metallo non conduce, devi utilizzare le guide donda per trasportare i segnali.
- Significa che anche i cavi di potenza molto elevata saranno costituiti da un numero di fili più sottili perché una volta che sono più di 1/2 ” di spessore, il centro non viene utilizzato in modo efficiente.
- Nota che il normale filo a trefolo non migliorerà la situazione poiché la corrente lo vede ancora come un filo di grandi dimensioni. Cavo Litz lo impedisce alternando ” allinterno di ” e ” esterno ” cavo.
- La trasmissione di potenza a distanze molto lunghe può effettivamente essere CC anziché CA, quindi nessun effetto pelle lì . Ma penso che la maggior parte della trasmissione sia AC. Come altri hanno detto, la frequenza, non la tensione, è la chiave qui
- @Navin Affascinante, io ‘ non ho mai visto cavi del genere. Mi ‘ mi chiedo se la forma della sezione trasversale potrebbe essere utilizzata anche per rendere questi cavi ad alta frequenza più efficienti utilizzando qualcosa che abbia un rapporto perimetro / area maggiore di un cerchio. I triangoli sarebbero persino migliori dei cerchi. Diamine, ci sono anche frattali che tessellano;)
Risposta
Si usa filo intrecciato perché si piega più facilmente , ma ha essenzialmente le stesse proprietà conduttive.
La corrente scorre attraverso lintero filo. Questo è facilmente verificabile misurando la resistenza dei fili tondi: la resistenza cadrà quadraticamente con il raggio, indicando che è larea della sezione trasversale che conta.
Emendamento : questa risposta è corretta solo per corrente continua – vedi sotto Beckett per AC. I campi magnetici mutevoli introducono correnti parassite che producono leffetto pelle, dove la corrente tende a essere trasportata solo allinterno della “profondità della pelle” del filo, che è non proporzionale al raggio.
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- Stai assumendo la resistenza $ R = \ rho L / S $, dove $ S $ è larea del filo che corrente flusso (non necessariamente lintera sezione trasversale del filo), mi chiedo se questo vale per la corrente di frequenza CA, perché $ \ rho $ cambia anche con la frequenza.
- @ C4stor che ‘ è corretto, ‘ non verifica che ‘ non sia $ r $ -dipendenza di la quantità di corrente che scorre. Verifica, tuttavia, che lattuale non sia ‘ semplicemente una proprietà ” skin ” , dove il flusso di corrente è limitato a una distanza fissa dal bordo (o similmente, dal centro). In altre parole, anche se potrebbe esserci qualche variazione, ‘ è fondamentalmente una cosa di area, non una cosa di circonferenza. I dettagli esatti di dove scorre la corrente sono meno interessanti: P
- Sembra sbagliato ignorare gli effetti AC. Vedi Wikipedia , non ‘ ha un ruolo nella distribuzione dellenergia domestica ma ‘ è significativo quando il raggio supera 1 cm.
- Un altro motivo per cui il filo è intrecciato è che se cè un difetto in qualsiasi punto e si rompe, la rottura è contenuta in un porzione: quella singola fibra.
- Il fatto che, per alcuni tipi di CA, la corrente scorre solo in profondità è anche il motivo per cui le linee elettriche hanno un nucleo in acciaio meno conduttivo (per resistenza) con un guscio più conduttivo che esegue la maggior parte della corrente.
Risposta
Questo è un po estraneo alla domanda originale, ma vale la pena ricordare che questo può sorgere come un malinteso comune dovuto al fatto che lelettricità statica si accumula sulla superficie di un conduttore. Anche se questo è vero, è corretto che la corrente tenda a fluire attraverso la maggior parte di un conduttore e la densità di corrente è misurata in unità di $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.
Inoltre, la risposta di Martin è un buon punto, leffetto pelle è rilevante per le correnti CA, ma a meno che tu non abbia a che fare con pollici -filo spesso, non farà davvero la differenza. A frequenze più alte, il filo intrecciato potrebbe aiutare un po , ma sarebbe comunque suscettibile. Esistono modi speciali per intrecciare il filo (come il filo litz per mitigare / annullare leffetto, ma non sarebbe necessario per lelettricità di rete.
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- Ottimo esempio di litz wire!
Risposta
Nel caso di corrente alternata, la densità di corrente scende esponenzialmente con la distanza dalla superficie esterna del filo (l ” effetto pelle “), come spiegato da Martin Beckett. Ciò può essere mostrato analiticamente dallapprossimazione quasi statica alle equazioni di Maxwell, come si fa nel capitolo 5 di Jackson.
Il caso della corrente continua è più interessante. Innanzitutto, è necessario specificare il campo elettrico esterno $ {\ bf E} _0 $ quello ” spinge “la corrente. Questo di solito è considerato uniforme e parallelo al filo. Le correnti attraverso il filo tendono ad attrarsi e quindi raggrupparsi insieme (noto come” effetto pizzico “). Leffetto pizzico DC è discusso in http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 e http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Si scopre che le equazioni di Maxwell non sono sufficienti per determinare in modo univoco la distribuzione della densità di corrente attraverso la sezione trasversale del filo; è inoltre necessario specificare un modello microscopico per i portatori di carica.
Ad un estremo, puoi trattare entrambi i portatori di carica positivi e negativi come completamente mobili e con rapporti di carica-massa uguali. Questa è una buona descrizione della conduzione della corrente attraverso il plasma e i pizzichi di plasma possono essere abbastanza forti da schiacciare il metallo.
Allaltro estremo, si possono trattare le cariche positive come completamente stazionarie nel frame del laboratorio, a densità fissa, e “immuni” ai campi elettromagnetici, con la corrente dovuta interamente al movimento dei portatori di carica negativa mobile. Questo è un modello più realistico per un filo metallico, poiché le forze di scambio interatomiche e di Fermi tra gli atomi di rame sono molto, molto più forti di quelle indotte dai tipici campi applicati e dalle correnti di elettroni. Si scopre che nel frame del laboratorio, la densità di carica lineare totale del filo deve essere zero allequilibrio (altrimenti scambierebbe gli elettroni con le sorgenti fisse e affonda nella batteria fino a neutralizzarsi), ma nel frame di riposo degli elettroni in movimento, la densità di carica del volume di massa deve essere zero (altrimenti gli elettroni subirebbero una forza elettrica radiale che li attira verso o lontano dallasse del filo).
Combinando questi requisiti, si ottiene la seguente immagine: definire $ R $ come il raggio del filo, $ \ rho_0 $ come la densità degli ioni positivi nel frame del laboratorio (in cui si trovano rest), $ \ beta = v / c $, dove $ v $ è la velocità di deriva dellelettrone come si vede nel frame del laboratorio, e $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. Nella cornice del laboratorio, la densità di carica del volume positivo in blocco è $ \ rho_0 $ e la densità di carica del volume negativo in blocco è $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, che è maggiore in grandezza. Quindi la densità di carica del volume netto di massa $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ è negativa e cè un campo elettrico radialmente interno il cui la magnitudine aumenta linearmente con il raggio. (La generazione interna di questo campo elettrico radiale è talvolta chiamata “effetto Hall autoindotto”.) Il campo elettrico bilancia lattrazione radialmente interna tra gli elettroni dovuta al flusso di corrente. Cè una densità di carica superficiale positiva di compensazione $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ attorno alla superficie del filo che bilancia la carica del volume di massa negativa, quindi il campo elettrico radiale svanisce allesterno il cavo. Questa carica superficiale è a riposo nel frame del laboratorio, quindi non contribuisce alla corrente.
Nel frame degli elettroni, non cè densità di carica del volume di massa o elettricità radiale campo allinterno del filo. (Cè un campo magnetico dal movimento degli ioni positivi, ma gli elettroni non lo sentono poiché sono a riposo in questo frame.) La carica superficiale in questo frame è $ \ sigma “= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $ e la densità lineare totale in questo frame è $ \ lambda “= 2 \ pi R \ sigma” = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. In questo frame, cè un campo elettrico radiale esterno al filo, che non ha effetto sugli elettoni, ma attrae o respinge le particelle cariche allesterno del filo.
Ma in un filo di rame con correnti tipiche, gli elettroni sono estremamente non relativistici ($ \ beta \ ll 1 $), quindi la carica totale negativa netta e la carica superficiale positiva sono estremamente piccole.
Risposta
Come già accennato, la conducibilità è bo th teoricamente ed empiricamente proporzionale allarea della sezione trasversale, non alla circonferenza. Una spiegazione intuitiva (per CC o CA a bassa frequenza) risulta dalle forze tra gli elettroni in movimento rispetto a quelli statici. Pensala come la legge di Ampere, le equazioni di Maxwell o la natura relativistica dellelettromagnetismo: in ogni caso, gli elettroni che si muovono in direzioni parallele si attraggono. Quindi, leffettiva distribuzione della corrente della sezione trasversale risulterebbe dalle forze nette (sia attraenti che repulsive) degli elettroni mentre attraversano il filo. Non ho intenzione di calcolare quella distribuzione e una rapida ricerca non lho trovata. Potrei controllare J. D. Jackson – Non ho più la mia copia. Ad ogni modo, la forza di attrazione tra elettroni in movimento parallelo è la chiave del motivo per cui lelettricità scorre attraverso la maggior parte del filo invece che solo sulla superficie (dove risiederebbero le cariche statiche).
Aggiunta: per CA, vedi http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
Risposta
Preferirei aver commentato, ma dato che ho un account qui proprio per questo motivo, cercherò di rispondere, ma non posso fare a meno di provare a reindirizzare alcuni commenti qui.
Risposta semplice: Sì, in un caso ideale. Se costruisci il modello vedrai che la densità di corrente si riduce a zero sulla linea centrale del conduttore, dove il vettore E è zero. Questo richiede un po di lavoro oltre laffermazione di Maxwell ” s Equazioni.
La realtà ovviamente non è così semplice. Ma il gradiente di densità di corrente è ancora molto significativo. Vuoi sapere perché Nikolai Tesla ha potuto dimostrare il fenomeno usando il proprio corpo? Bene, ecco qua.
Quindi, usa fili intrecciati per cavi per altoparlanti, prese per iPod, ecc. La capacità di corrente totale (a causa del calore) è inferiore, quindi non cablare la tua casa con it.
Infine, la separazione delle linee di trasmissione di potenza serve a ridurre le perdite dovute allaccoppiamento capacitivo. Ma mentre siamo in argomento, controlla la diga di Hoover. Lì puoi acquistare una sezione della linea di trasmissione originale dalla diga alla rete. È in rame, fatta di parti a sezione radiale ad incastro. E sì, è vuoto. Per 60 Hz.
Ecco fatto.
Per parlare: cerca di capire il concetto di densità di corrente in un conduttore.
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- Per gli altoparlanti viene utilizzato un cavo intrecciato perché è più flessibile. Per installazioni permanenti viene utilizzato un cavo solido perché non è ‘ t flessibile, quindi ‘ non può spostarsi e potenzialmente sfilacciarsi. Il cavo solido viene utilizzato anche per cavi dati a bassa corrente negli edifici. Laccoppiamento capacitivo non è ‘ t un problema nei cavi di alimentazione nel collegamento perché i trefoli sep sono sulla stessa fase e allo stesso potenziale.Infine, i conduttori cavi presso la diga di hoover devono probabilmente consentire il raffreddamento piuttosto che fornire una seconda superficie per ridurre le perdite di pelle.
Risposta
Sia allinterno (alla rinfusa) che in superficie, a seconda della tensione e delle frequenze della sorgente. La carica superficiale è sempre richiesta su un filo conduttore, al fine di stabilire il flusso di corrente sul filo. Ci sono due tipi di densità di corrente $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ o $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, a seconda delle dinamiche di carica superficiale: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.
Nella maggior parte dei sistemi $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ è così piccola che la corrente condotta è priva di divergenza (tipica corrente di deriva nei fili). Esistono tuttavia sistemi eccezionali, tali che tutta la corrente viene utilizzata per alternare il segno della carica superficiale sul filo, quindi la corrente è fondamentalmente corrente superficiale. In linea di principio, un tale sistema potrebbe trasportare energia. Grazie per aver condiviso la buona domanda e per il pensiero fuori dagli schemi.
Risposta
La risposta breve è la superficie. Essere in macchina durante un fulmine o una caduta della linea ad alta tensione ti ucciderebbe. Pensa anche ai video di Tesla in cui qualcuno indossa unarmatura e non muore per gli archi di elettricità che lo colpiscono alla testa; la differenza di potenziale dalla sua testa ai suoi piedi, anche se solo per un momento, è sufficiente per ucciderlo altrimenti.
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- Questo ‘ non risponde veramente alla domanda.
- Tu ‘ stai parlando del comportamento di una gabbia di Faraday , che non è ‘ è lo stesso di un cavo che trasporta corrente.
Risposta
Io” ll cerca di mantenerlo breve e dolce; Il filo intrecciato è in grado di fornire un amperaggio elevato senza surriscaldarsi perché i trefoli dividono il carico..I.E. cavi della batteria sulla tua auto. Il filo a trefoli è superiore al solido ma costoso per le lunghe distanze, quindi il filo solido viene utilizzato per le lunghe distanze come per la tua casa (facile da serpeggiare o piegare) linea di fornitura elettrica solida ma flessibile. Sì, è vero che su un conduttore solido ci sarà meno resistenza al centro, sarebbe nominale. Prendi i tuoi elettrodomestici, ad esempio, 120 V viene fornito a casa tua come lunghezza donda (mantiene la tensione costante & aiuta a evitare che la linea si surriscaldi) Ora esamina tutto ciò che colleghi alla parete, se è ha un motore elettrico di solito funziona A / C ah! ma tutto il resto gira su DC. la maggior parte dei dispositivi trasforma laria condizionata in corrente continua perché la corrente continua è in grado di gestire brevi tratti con alti (amferaggio, corrente, resistenza o carico) Essere un piccolo cavo tecnico solido che trasporta A / C come unonda significa che cè spazio tra le onde dove lelettricità non è “t che scorre che aiuta nella consegna e nel raffreddamento, tuttavia avresti bisogno di un ambito per osservarlo …… BUONA FORTUNA RAD3
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- Questo non ‘ t risponde alla domanda dellOP ‘ se il flusso di corrente è distribuito uniformemente su un cavo ‘ s sezione trasversale.