Jeg hadde en samtale med min far og svigerfar, som begge er i elektrisk relatert arbeid, og vi kom til et punkt der ingen av oss visste hvordan vi skulle fortsette. Jeg var under inntrykk av at strøm går på overflaten mens de trodde den reiste gjennom interiøret. Jeg sa at det å reise over overflaten ville gjøre det fornuftig at de regelmessig bruker strandet ledning i stedet for en enkelt stor ledning for å transportere strøm.
Hvis noen kan forklare dette for noen som ikke er fysikk, men som skråner elektrisk, vil jeg bli veldig verdsatt.
Kommentarer
- Den ledende banen for ledere er gjennom lederen og ikke på overflaten.
- Se på en ledning som en samling av mange tynne sylindriske skall. De ytre skallene har mer tverrsnittsareal sammenlignet med indre. Alle har samme lengde. Derfor er motstand mindre utad. Se dette som en parallell kombinasjon av disse, og du vil se at strømmen er mer på den ytre delen av ledningen.
- @ Fantastisk Strømtettheten er det samme i alle skjell (dvs. strømmen per tverrsnittsareal per enhet).
- @ Fantastisk jeg ‘ er ganske sikker på at ‘ er ikke det OP spurte om. Den samme strømmen går gjennom alle regioner som har samme område. (skjellene dine har ikke samme område)
- @Navin Har ikke ‘ t det ytre området mer areal? $ A = 2 \ pi x dx $
Svar
Det avhenger av frekvensen. DC-strøm går gjennom ledningens største tverrsnitt.
En skiftende elektrisk strøm (AC) opplever hudeffekt der strømmen strømmer lettere i overflatelagene. Jo høyere frekvens jo tynnere blir overflatelaget som kan brukes i en ledning. Ved normal husholdnings AC (50 / 60Hz) er huddybden omtrent 8-10 mm, men ved mikrobølgefrekvenser er dybden av metallet som strømmen strømmer inn omtrent den samme som en bølgelengde av synlig lys. Interessant punkt fra Navin – de enkelte strengene må isoleres fra hverandre for at hudeffekten skal gjelde for hver enkelt. Det er årsaken til de vidt adskilte ledningsparene i dette spørsmålet Hva er alle linjene på et dobbelt kretsstårn?
Kommentarer
- Ganske sikker på at alle kraftproduksjonssystemer i USA kjører på 60 Hz – » høyspenning » refererer bare til signalets amplitude. For mikrobølger, hvor huddybdeeffekt betyr at det meste av metallvolumet ikke er ledende, må du bruke bølgeledere for å bære signaler rundt.
- Det betyr at selv kabler med veldig høy effekt vil være laget av et antall tynnere ledninger fordi når de først er mer enn 1/2 » tykke, blir ikke sentrum brukt effektivt.
- Merk at normalstrenget ledning ikke vil forbedre situasjonen siden strømmen fremdeles ser på den som en stor ledning. Litz wire forhindrer dette ved å veksle mellom » inne i » og » utenfor » ledning.
- Meget langdistanse kraftoverføring kan faktisk være DC i stedet for AC, så ingen hudeffekt der . Men jeg tror mest overføring er AC. Som andre sa, er frekvensen, ikke spenningen, nøkkelen her
- @Navin Fascinerende, jeg ‘ har aldri sett slike ledninger. Jeg ‘ lurer på om formen på tverrsnittet også kan brukes til å gjøre disse høyfrekvente kablene mer effektive ved å bruke noe som har et høyere perimeter-til-area-forhold enn en sirkel. Triangler ville til og med pakke bedre enn sirkler. Pokker, det er til og med fraktaler som tessellerer;)
Svar
Stranded wire brukes fordi den bøyes lettere , men den har i hovedsak de samme ledende egenskapene.
Strøm strømmer gjennom hele ledningen. Dette testes enkelt ved å måle motstanden til runde ledninger – motstanden faller kvadratisk med radien, noe som indikerer at det er tverrsnittsområdet som betyr noe.
Endring : dette svaret er bare riktig for likestrøm – se Beckett nedenfor for AC. De skiftende magnetfeltene introduserer virvelstrømmer som gir hudeffekten, der strøm har en tendens til å bare bæres innenfor «huddybden» til ledningen, som er ikke proporsjonal med radiusen.
Kommentarer
- Du antar motstanden $ R = \ rho L / S $, hvor $ S $ er området for ledningen som gjeldende flyt (ikke nødvendigvis hele tverrsnittet av ledningen), jeg lurer på om dette holder for AC-frekvensstrømmen, for $ \ rho $ endres også med frekvensen.
- @ C4stor at ‘ stemmer, det ‘ t verifiserer at det ikke er ‘ t noen $ r $ -avhengighet av mengden strøm som strømmer. Det verifiserer imidlertid at strømmen ikke er ‘ t bare en » skin » , der strømmen er begrenset til en fast avstand fra kanten (eller tilsvarende sentrum). Med andre ord, selv om det kan være noe variasjon, er det ‘ i utgangspunktet en områdesak, ikke en omkretssak. De nøyaktige detaljene for hvor strømmen er mindre interessante: P
- Det virker galt å ignorere vekselstrømseffektene. Se Wikipedia , det spiller ikke ‘ en rolle i husholdningenes strømfordeling, men det ‘ er viktig når radiusen overstiger 1 cm.
- En annen grunn til at ledningen skal strandes, er at hvis det er en defekt på et hvilket som helst tidspunkt og går i stykker, blir bruddet inneholdt til en veldig liten porsjon: den eneste fiberen.
- Det faktum at strømmen for visse typer vekselstrøm bare går huddyp er også grunnen til at kraftledninger har en mindre ledende stålkjerne (for styrke) med et mer ledende skall som kjører mesteparten av gjeldende.
Svar
Dette er litt ikke relatert til det opprinnelige spørsmålet, men det er verdt å nevne at dette kan oppstå som en vanlig misforståelse på grunn av at statisk strøm akkumuleres på overflaten til en leder. Selv om dette er sant, er det riktig at strøm har en tendens til å strømme gjennom hoveddelen av en leder, og strømtettheten måles i enheter på $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.
Martins svar er også et godt poeng, hudeffekten er relevant for vekselstrøm, men med mindre du har å gjøre med tomme -tykk ledning, den vil ikke virkelig gjøre en forskjell. Ved høyere frekvenser kan strandet ledning kanskje hjelpe litt, men det vil fortsatt være utsatt. Det er spesielle måter å koble ledning på (som ledningstråd for å redusere / negere effekten, men det ville ikke være nødvendig for strømnettet.
Kommentarer
- Flott eksempel på litz wire!
Svar
Når det gjelder vekselstrøm, synker strømtettheten eksponentielt med avstanden fra ledningens ytre overflate (» hudeffekten «), som forklart av Martin Beckett. Dette kan vises analytisk fra den kvasistatiske tilnærmingen til Maxwells ligninger, slik det er gjort i Jackson kapittel 5.
Tilfellet med likestrøm er mer interessant. Først må du spesifisere det eksterne elektriske feltet $ {\ bf E} _0 $ som » skyver «strømmen. Dette blir vanligvis ansett for å være jevn og parallell med ledningen. Strømmene gjennom ledningen har en tendens til å tiltrekke seg hverandre og kluster seg derfor sammen (kjent som» klypeeffekt «). DC-klypeeffekten er diskutert i http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 , og http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Det viser seg at ligningene til Maxwell ikke er nok til å bestemme strømdensitetsfordelingen på unikt vis gjennom ledningens tverrsnitt; du må også spesifisere en mikroskopisk modell for ladebærerne.
På en ekstrem måte kan du behandle både positive og negative ladningsbærere som helt mobile og med like ladnings-til-masseforhold. Dette er en god beskrivelse av strømledningen gjennom plasmaer, og plasmaklyper kan være sterke nok til å knuse metall.
På den andre ekstremen, Du kan behandle de positive ladningene som helt stasjonære i laboratorierammen, med fast tetthet og «immun» mot de elektromagnetiske feltene, med strømmen på grunn av bevegelsen til de mobile negative ladningsbærerne. Dette er en mer realistisk modell for en metalltråd, siden de interatomære og Fermi-utvekslingskreftene mellom kobberatomer er mye, mye sterkere enn de indusert av typiske anvendte felt og elektronstrømmer. Det viser seg at ledningens totale lineære ladetetthet i laboratorierammen må være null ved likevekt (ellers vil den bytte elektroner med de faste kildene og synke ved batteriet til den nøytraliseres), men i hvilerammen til de bevegelige elektronene må bulkvolumet ladetettheten være null (ellers ville elektronene oppleve en radiell elektrisk kraft som trekker dem mot eller bort fra ledningens akse).
Ved å kombinere disse kravene får du følgende bilde: definer $ R $ for å være ledningens radius, $ \ rho_0 $ for å være tettheten av positive ioner i laboratorierammen (der de er på rest), $ \ beta = v / c $, hvor $ v $ er elektronens driftshastighet sett i laboratorierammen, og $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. I laboratorierammen er den positive positive volumladetettheten $ \ rho_0 $, og den negative volumladetettheten for bulk er $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, som er større i størrelse. Så bulk nettovolumets ladetetthet $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ er negativ, og det er et radielt innover elektrisk felt hvis størrelsen øker lineært med radius. (Den interne generasjonen av dette radiale elektriske feltet blir noen ganger kalt «den selvinduserte Hall-effekten.») Det elektriske feltet balanserer den radielt innvendige tiltrekningen mellom elektroner på grunn av strømmen. Det er en kompenserende positiv overflateladetetthet $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ rundt ledningens overflate som balanserer den negative volumladningen, slik at det radiale elektriske feltet forsvinner utenfor ledningen. Denne overflateladningen er i ro i laboratorierammen, så den bidrar ikke til strømmen.
I elektronenes ramme er det ingen bulkvolumladetetthet eller radial elektrisk felt inne i ledningen. (Det er et magnetfelt fra bevegelsen til de positive ionene, men elektronene føler det ikke siden de er i ro i denne rammen.) Overflateladningen i denne rammen er $ \ sigma «= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, og den totale lineære tettheten i denne rammen er $ \ lambda «= 2 \ pi R \ sigma» = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. I denne rammen er det et radielt elektrisk felt utenfor ledningen, som ikke påvirker elektronene, men tiltrekker eller avviser ladede partikler utenfor ledningen.
Men i en kobbertråd med typiske strømmer er elektronene ekstremt ikke-relativistiske ($ \ beta \ ll 1 $), så den netto negative bulkladningen og den positive overflateladningen er ekstremt små.
Svar
Som allerede nevnt er ledningsevnen bo teoretisk og empirisk proporsjonal med tverrsnittsarealet, ikke omkretsen. En intuitiv forklaring (for likestrøm eller lavfrekvent vekselstrøm) er resultatet av kreftene mellom bevegelige elektroner i motsetning til statiske. Tenk på det som Amperes Law, Maxwells ligninger, eller den relativistiske naturen til elektromagnetikk – uansett, tiltrekker elektroner som beveger seg i parallelle retninger. Så den faktiske tverrsnittsstrømfordelingen vil skyldes nettokreftene (både attraktive og frastøtende) av elektroner når de går gjennom ledningen. Jeg er ikke i ferd med å beregne distribusjonen, og et raskt søk fant den ikke. Kan sjekke J. D. Jackson – jeg har ikke eksemplaret mitt lenger. Uansett er tiltrekningskraften mellom parallelle bevegelige elektroner nøkkelen til hvorfor elektrisitet strømmer gjennom hoveddelen av ledningen i motsetning til bare på overflaten (der statiske ladninger vil ligge).
Tillegg: For AC, se http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
Svar
Jeg vil helst bare ha kommentert, men siden jeg har en konto her bare på grunn av dette, vil jeg prøve et svar, men kan ikke annet enn å prøve å omdirigere noe av kommentaren hit.
Enkelt svar: Ja, i et ideelt tilfelle. Hvis du konstruerer modellen, vil du se at den aktuelle tettheten krymper til null ved midtlinjen til lederen, der E-vektoren er null. Dette tar litt arbeid utover uttalelsen til Maxwell » s Ligninger.
Virkeligheten er selvfølgelig ikke så kuttet og tørket. Men gradienten av strømtetthet er fortsatt veldig signifikant. Vil du vite hvorfor Nikolai Tesla kunne demonstrere fenomenet ved hjelp av sin egen kropp? Vel, her har du det.
Så bruk strandet ledning til høyttalerkabler, ipod-kontakter osv. Den totale strømkapasiteten (på grunn av varme) er lavere, så ikke kabler huset ditt med
Til slutt er separasjonen av kraftoverføringslinjer å redusere tap på grunn av kapasitiv kobling. Men mens vi snakker om emnet, sjekk ut Hoover Dam. Der kan du kjøpe en del av den originale overføringslinjen fra demningen til rutenettet. Det er kobber, laget av sammenlåsende radiale tverrsnittsdeler. Og ja, det er hul. For 60Hz.
Der går du.
For å redusere: Vennligst prøv å forstå begrepet strømtetthet i en leder.
Kommentarer
- Strandet kabel brukes til høyttalere fordi den er mer fleksibel. Solid kabel brukes til permanente installasjoner fordi den ikke er ‘ t fleksibel, så vant ‘ t beveger seg og potensielt frynser. Solid kabel brukes selv for datakabler med lav strøm i bygninger. Kapasitiv kobling er ikke ‘ t et problem i strømkablene i lenken fordi sep-strengene er i samme fase og med samme potensial.Endelig er de hule lederne ved hoover-demningen sannsynligvis for å tillate kjøling i stedet for å gi en 2. overflate for å redusere hudtap.
Svar
Både i det indre (bulk) og på overflaten, avhengig av kildespenning og frekvenser. Det kreves alltid overflatelading på en ledende ledning for å etablere strømning over ledningen. Det er to typer strømtetthet $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ eller $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, avhengig av overflateladningsdynamikken: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.
I de fleste systemer er $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ så liten at ledet strøm er fri for avvik (typisk drivstrøm i ledninger). Det er imidlertid eksepsjonelle systemer, slik at all strøm brukes til å veksle tegnet på overflateladning på ledningen, så er strømmen i utgangspunktet overflatestrøm. I prinsippet kan et slikt system transportere kraft. Takk for at du delte det gode spørsmålet, og for å tenke ut av boksen.
Svar
Det korte svaret er overflaten. Å være i en bil under et lynnedslag eller høyspentlinjedråpe vil drepe deg. Tenk også på Tesla-videoene der noen har på seg en rustning og ikke dør av lysbuer som treffer ham i hodet. Forskjellen i potensial fra hodet til føttene, men bare et øyeblikk, er nok til å drep ham ellers.
Kommentarer
- Dette svarer ikke ‘ t virkelig på spørsmålet.
- Du ‘ snakker om oppførselen til et Faraday-bur , som ikke er ‘ t det samme som en strømførende ledning.
Svar
I» ll prøv å holde det kort og søtt; Strandet ledning er i stand til å levere høy strømstyrke uten å bli overopphetet fordi strengene deler belastningen..I.E. batterikabler på bilen din. stranded wire er overlegen i forhold til solid, men dyrt i lange løp, så solid wire brukes til lange løp som for huset ditt (lett å slange eller bøye) solid, men fleksibel strømforsyning. Ja, det er sant at på en solid leder vil det være mindre motstand i sentrum, det ville være nominelt. Ta husholdningsapparater for eksempel, 120v leveres til hjemmet ditt som en bølgelengde (holder spenningen konstant & hjelper til med å holde ledningen fra overoppheting) Undersøk nå alt du kobler til veggen, hvis det har en elektrisk motor, den kjører vanligvis A / C ah! men alt annet kjører på DC. de fleste enheter forvandler A / C til DC fordi DC kan håndtere korte løp med høy (Ampherage, Current, Resistance, or Load) Å være en liten teknisk solid wire som bærer A / C som en bølge, betyr at det er plass mellom bølgene der strøm ikke er «t flyter som hjelper til med levering og kjøling, men du trenger et rom for å observere det …… LYKKE RAD3
Kommentarer
- Dette svarer ikke ‘ t OP ‘ spørsmål om strømmen er spredt jevnt over en ledning ‘ s tverrsnitt.