電気関連の仕事をしている父と義父と会話をしていましたが、誰もいないところまで来ました。私たちの何人かは進め方を知っていました。電気は内部を伝わっていると思っていたのに、表面を伝わっていくような印象を受けました。私は、地上を移動することは、彼らが電気を輸送するために単一の大きなワイヤーの代わりにより線を定期的に使用するという事実を理解するだろうと言いました。
物理学ではないが電気的に傾いている人たちにこれを説明していただければ幸いです。
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- 導体の主な経路は、表面ではなく導体を通ります。
- ワイヤを多くの薄い円筒シェルのコレクション。外側のシェルは、内側のシェルに比べて断面積が大きくなっています。すべて同じ長さです。したがって、抵抗は外側に向かって少なくなります。これをこれらの並列の組み合わせとして見ると、電流がワイヤの外側部分でより多いことがわかります。
- @Awesome電流密度はすべてのシェルで同じです（つまり、単位断面積あたりの電流）。
- @Awesome I ‘確かに’はOPが求めていたものではありません。同じ面積を持つすべての領域に同じ電流が流れます。 （シェルの面積は同じではありません）
- @Navin ‘外側の領域にはもっと面積がありますか？$ A = 2 \ pi x dx $
回答
頻度によって異なります。 DC電気は、ワイヤのバルク断面を通過します。
交流（AC）は、表皮効果を経験し、電気が表層を流れやすくなります。周波数が高いほど、ワイヤで使用できる表面層は薄くなります。通常の家庭用AC（50 / 60hz）では、表皮深さは約8〜10 mmですが、マイクロ波周波数では、電流が流れる金属の深さは、可視光の波長とほぼ同じです。
編集： Navin の興味深い点-表皮効果を個別に適用するには、個々のストランドを互いに絶縁する必要があります。これが、この質問で広く分離されたワイヤーのペアの理由です二重回路タワーのすべてのラインは何ですか？
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外側”ワイヤー。
回答
より簡単に曲がるため、より線が使用されます。 、ただし、基本的に同じ導電特性を持っています。
電流はワイヤ全体に流れます。これは、丸線の抵抗を測定することで簡単にテストできます。抵抗は半径とともに2次関数的に低下し、重要な断面積であることを示します。
修正：この回答は直流に対してのみ正しいです。ACについては以下のベケットを参照してください。変化する磁場は表皮効果を生み出す渦電流を導入します。この場合、電流はワイヤーの「皮膚の深さ」内でのみ運ばれる傾向があり、半径に比例しません。
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- 抵抗$ R = \ rho L / S $を想定しています。ここで、$ S $は電流が流れるワイヤの面積です。流れ（必ずしもワイヤの断面全体ではありません）、これはAC周波数電流にも当てはまるのだろうか、$ \ rho $も周波数によって変化するからです。
- @ C4stor that ‘そうです、’ ‘に$ r $依存性がないことを確認しません流れる電流の量。ただし、現在が’単なる”スキン”プロパティではないことは確認されます。 、ここで、電流はエッジ（または同様に中心）から一定の距離に制限されます。つまり、多少の違いはあるかもしれませんが、’は基本的に、円周ではなく、面積です。電流が流れる場所の正確な詳細はそれほど興味深いものではありません：P
- AC効果を無視するのは間違っているようです。 ウィキペディアを参照してください。’は家庭の配電には関与しませんが、’半径が1cmを超える場合に重要です。
- ワイヤが撚り線になるもう1つの理由は、いずれかのポイントに欠陥があり、破損した場合に、破損がごくわずかに抑えられるためです。部分：その単一のファイバー。
- 特定のタイプのACの場合、電流が皮膚の深さまでしか流れないという事実は、電力線がより導電性の高いシェルを備えた（強度のための）導電性の低いスチールコアを備えている理由でもあります。これは現在の大部分を実行します。
回答
これは元の質問とは少し関係ありませんが、 静的電気が導体の表面に蓄積するという事実のために、これは一般的な誤解として発生する可能性があることに言及する価値があります。これは真実ですが、電流が流れる傾向があるのは正しいことです。導体の大部分、および電流密度は$の単位で測定されます\ text {A} / \ text {m} ^ 2 $。
また、マーティンの答えは良い点です。表皮効果はAC電流に関連していますが、インチを扱っている場合を除きます。 -太いワイヤー、それは実際には違いはありません。より高い周波数では、より線は 少し役立つかもしれませんが、それでも影響を受けやすくなります。ワイヤーを撚り合わせる特別な方法があります（リッツワイヤーのように、影響を軽減/無効にしますが、それは主電源には必要ありません。
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- リッツ線の良い例です！
回答
交流の場合、Martin Beckettが説明しているように、電流密度はワイヤーの外面からの距離とともに指数関数的に低下します（「表皮効果」）。これは、準静的近似から分析的に示すことができます。ジャクソンの第5章で行われているように、マクスウェルの方程式に準拠します。
直流の場合の方が興味深いです。まず、外部電界$ {\ bf E} _0 $を指定する必要があります。電流を押し出します。これは通常、均一でワイヤに平行であると見なされます。ワイヤを流れる電流は互いに引き付け合う傾向があるため、一緒にクラスター化します（「ピンチ効果」として知られています）。DCピンチ効果については http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 、 http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 、および http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 。マクスウェルの方程式は、ワイヤの断面を通る電流密度分布を一意に決定するのに十分ではないことがわかります。また、電荷キャリアの微視的モデルを指定する必要があります。
極端な例として、正と負の両方の電荷キャリアを完全に移動可能で、電荷対質量比が等しいものとして扱うことができます。これはプラズマを通る電流伝導の良い説明であり、プラズマピンチは金属を粉砕するのに十分な強さである可能性があります。
もう一方の極端な例として、正電荷は、固定密度で実験室フレーム内で完全に静止しているものとして扱うことができ、移動性の負電荷キャリアの動きに完全に起因する電流で、電磁界に対して「耐性」があります。これは、銅原子間の原子間およびフェルミ交換力が、通常の印加電界および電子電流によって誘導される力よりもはるかに強いため、金属ワイヤのより現実的なモデルです。実験室のフレームでは、ワイヤの総電荷密度は平衡状態でゼロでなければなりません（そうでない場合、固定されたソースと電子を交換し、中和されるまでバッテリーでシンクします）。移動する電子の残りのフレームでは、バルク体積の電荷密度はゼロでなければなりません（そうでない場合、電子は半径方向の電気力を受けて、ワイヤの軸に近づいたり遠ざかったりします）。
これらの要件を組み合わせると、次の図が得られます。$ R $をワイヤの半径、$ \ rho_0 $をラボフレーム内の陽イオンの密度（それらが存在する場所）として定義します。残り）、$ \ beta = v / c $、ここで$ v $は実験室系で見られる電子のドリフト速度であり、$ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $です。実験室系では、バルクの正の体積電荷密度は$ \ rho_0 $であり、バルクの負の体積電荷密度は$-\ gamma ^ 2 \ rho_0 $であり、大きさが大きくなっています。したがって、バルク正味体積電荷密度$（1- \ gamma ^ 2）\ rho_0 =-\ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $は負であり、半径方向に内側の電界があります。大きさは半径とともに直線的に増加します。 （この放射状電界の内部生成は、「自己誘導ホール効果」と呼ばれることもあります。）電界は、電流の流れによる電子間の半径方向内向きの引力のバランスを取ります。ワイヤの表面の周りに、負のバルク体積電荷のバランスをとる補償する正の表面電荷密度$ \ sigma =（R / 2）\ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $があるため、半径方向の電界は外側で消えます。ワイヤー。この表面電荷は実験室フレームで静止しているため、電流には寄与しません。
電子」フレームでは、バルク体積電荷密度やラジアル電気はありません。ワイヤー内部の電界。（正イオンの動きから電界がありますが、電子はこのフレームで静止しているため、それを感じません。）このフレームの表面電荷は$ \ sigma “=（ R / 2）\ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $であり、このフレームの総線形密度は$ \ lambda “= 2 \ pi R \ sigma” = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $。このフレームには、ワイヤーの外側に放射状の電界があります。これは電子には影響しませんが、ワイヤーの外側の帯電粒子を引き付けたり反発したりします。
しかし、典型的な電流の銅線では、電子は非常に非相対論的（$ \ beta \ ll 1 $）であるため、正味の負のバルク電荷と正の表面電荷は非常に小さいです。
回答
すでに述べたように、導電率はboです。理論的および経験的に、円周ではなく断面積に比例します。直感的な説明（DCまたは低周波ACの場合）は、静的な電子とは対照的に、移動する電子間の力から生じます。アンペールの法則、マクスウェルの方程式、または電磁気学の相対論的性質と考えてください。いずれにしても、平行方向に移動する電子が引き付けられます。したがって、実際の断面電流分布は、電子がワイヤを通過するときの電子の正味の力（引力と反発力の両方）に起因します。私はその分布を計算しようとはしておらず、クイック検索でそれが見つかりませんでした。J。D。ジャクソンをチェックするかもしれません-私はもう私のコピーを持っていません。とにかく、平行に移動する電子間の引力は、電気が表面（静電荷が存在する場所）だけでなく、ワイヤの大部分を流れる理由の鍵です。
追加：ACの場合、 http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
回答
コメントしたいのですが、これだけでアカウントを取得したので、回答を試みますが、コメントの一部をここにリダイレクトするしかありません。
簡単な答え：はい、理想的な場合です。モデルを構築すると、Eベクトルがゼロである導体の中心線で電流密度がゼロに縮小することがわかります。これには、マクスウェルの記述を超える作業が必要です。」 ■方程式。
もちろん、現実はそれほどカットされて乾燥されていません。しかし、電流密度の勾配は依然として非常に重要です。ニコラ・テスラが自分の体を使ってこの現象を実証できる理由を知りたいですか？さて、ここにあります。
スピーカーケーブルやiPodジャックなどにはより線を使用してください。（熱による）総電流容量が小さいので、家を配線しないでください。
最後に、送電線の分離は、容量結合による損失を減らすことです。しかし、私たちがこの問題について話している間、フーバーダムをチェックしてください。そこで、ダムからグリッドまでの元の送電線のセクションを購入できます。それは、連動する放射状断面部品で作られた銅です。はい、それは中空です。60Hzの場合。
そこに行きます。
打撃するために：導体の電流密度の概念を理解してみてください。
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- スピーカーには、柔軟性が高いため撚り線ケーブルが使用されています。’ t柔軟性があるため、’移動せず、ほつれる可能性があります。建物内の低電流データケーブルにもソリッドケーブルが使用されます。容量結合は’ sepストランドは同じ位相で同じ電位にあるため、リンクの電源ケーブルに問題があります。最後に、フーバーダムの中空導体は、皮膚の損失を減らすために2番目の表面を提供するのではなく、おそらく冷却を可能にするためのものです。
回答
ソース電圧と周波数に応じて、内部（バルク）と表面の両方。導線上の電力の流れを確立するために、導線には常に表面電荷が必要です。電流密度$ \ boldsymbol J $には、表面電荷のダイナミクスに応じて、$ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $または$ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $の2種類があります。$ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $。
ほとんどのシステムでは、$ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $は伝導電流が発散しないほど小さい（ワイヤの通常のドリフト電流）。ただし、例外的なシステムがあり、すべての電流がワイヤの表面電荷の符号を交互に使用するため、電流は基本的に表面電流になります。原則として、そのようなシステムは電力を輸送する可能性があります。良い質問を共有してくれて、そして独創的な考えをしてくれてありがとう。
答え
簡単な答えは表面です。落雷や高圧線の落下中に車の中にいると、あなたは死にます。また、誰かが鎧のスーツを着ていて、頭に当たる電気の弧で死なないテスラのビデオを考えてみてください。頭から足までの電位差は、ほんの一瞬ですが、十分です。それ以外の場合は彼を殺します。
コメント
- これは’実際には質問に答えません。
- あなたは’ ファラデーケージの動作について話しているが、これは電流が流れるワイヤーと同じです。
回答
I” ll短くて甘くしてください。撚り線は、撚り線が負荷を分割するため、過熱することなく高アンペア数を供給することができます。あなたの車のバッテリーケーブル。撚り線は単線よりも優れていますが、長時間の使用には高価です。そのため、単線は、家のように（蛇や曲がりやすい）単線で柔軟な電力会社の供給ラインのように、長時間の使用に使用されます。はい、確かに、中実の導体では、中心の抵抗が少なくなり、公称値になります。たとえば、家電製品を例にとると、120vが波長として家に供給されます（電圧を一定に保つ&は、ラインの過熱を防ぐのに役立ちます）次に、壁に差し込むすべてのものを調べます。それは通常A / Cああ走る電気モーターを持っています！しかし、他のすべてはDCで実行されます。ほとんどのデバイスはA / CをDCに変換します。これは、DCが高い（アンペア、電流、抵抗、または負荷）の短期間の実行を処理できるためです。A/ Cを波として運ぶ小さな技術的な単線であるということは、電気がない波の間にスペースがあることを意味します「供給と冷却に役立つ流れはありませんが、それを観察するにはスコープが必要です…… GOOD LUCK RAD3
コメント
- これは、’電流の流れがワイヤー全体に均一に分散されているかどうかというOP ‘の質問に答えません’の断面図。