Eu estava conversando com meu pai e meu sogro, ambos trabalhando com eletricidade, e chegamos a um ponto em que nenhum de nós sabíamos como proceder. Tive a impressão de que a eletricidade viaja na superfície enquanto eles pensavam que viajava pelo interior. Eu disse que viajar pela superfície tornaria o fato de eles usarem regularmente fios trançados em vez de um único fio grande para transportar eletricidade.
Se alguém pudesse explicar isso para algumas pessoas não físicas, mas com inclinação elétrica, eu ficaria muito grato.
Comentários
- O caminho dominante para condutores é através do condutor e não na superfície.
- Veja um fio como um coleção de muitas conchas cilíndricas finas. As cascas externas têm mais área de seção transversal em comparação com as internas. Todos têm o mesmo comprimento. Portanto, a resistência é menos externa. Veja isso como uma combinação paralela dessas e você verá que a corrente é mais na parte externa do fio.
- @Awesome A densidade de corrente é o mesmo em todas as cascas (ou seja, a corrente por unidade de área de seção transversal).
- @Awesome I ‘ Tenho certeza de que ‘ não era o que OP estava perguntando. A mesma corrente passa por todas as regiões que possuem a mesma área. (suas conchas não têm a mesma área)
- @Navin Doesn ‘ t a região externa tem mais área? $ A = 2 \ pi x dx $
Resposta
Depende da frequência. A eletricidade DC viaja através da seção transversal em massa do fio.
Uma corrente elétrica variável (CA) experimenta o efeito de pele , onde a eletricidade flui mais facilmente nas camadas superficiais. Quanto mais alta a frequência, mais fina é a camada superficial que pode ser usada em um fio. Em AC doméstico normal (50 / 60hz), a profundidade da pele é de cerca de 8-10 mm, mas em frequências de micro-ondas, a profundidade do metal em que a corrente flui é quase igual a um comprimento de onda da luz visível
editar: Ponto interessante de Navin – os fios individuais devem ser isolados uns dos outros para que o efeito de pele se aplique a cada um individualmente. Essa é a razão para os pares de fios amplamente separados nesta questão O que são todas as linhas em uma torre de circuito duplo?
Comentários
- Certamente todos os sistemas de geração de energia nos EUA funcionam a 60 Hz – a ” alta tensão ” apenas se refere à amplitude do sinal. Para microondas, onde o efeito de profundidade de pele significa que a maior parte do volume do metal não é condutor, você deve usar guias de onda para transportar os sinais.
- Isso significa que mesmo cabos de alta potência serão feitos de vários fios mais finos porque, como eles têm mais de 1/2 ” espessura, o centro não está sendo usado de forma eficiente.
- Observe que o fio trançado normal não vai melhorar a situação, pois a corrente ainda o vê como um fio grande. Fio Litz evita isso alternando ” dentro de ” e ” fora ” fio.
- A transmissão de energia de longa distância pode realmente ser DC em vez de AC, então nenhum efeito de pele lá . Mas acho que a maior parte da transmissão é AC. Como outros disseram, a frequência, não a voltagem, é a chave aqui
- @Navin Fascinante, eu ‘ nunca vi tais fios. Eu ‘ estou me perguntando se o formato da seção transversal também poderia ser usado para tornar esses cabos de alta frequência mais eficientes usando algo que tenha uma razão perímetro-para-área maior do que um círculo. Os triângulos seriam ainda melhores do que os círculos. Caramba, existem até fractais que tesselam;)
Resposta
O fio trançado é usado porque dobra mais facilmente , mas tem essencialmente as mesmas propriedades condutivas.
A corrente flui por todo o fio. Isso é facilmente testado medindo-se a resistência de fios redondos – a resistência cairá quadraticamente com o raio, indicando que é a área da seção transversal que importa.
Emenda : esta resposta é correta apenas para corrente contínua – ver Beckett “s abaixo para CA. Os campos magnéticos variáveis introduzem correntes parasitas que produzem o efeito de pele, onde a corrente tende a ser transportada apenas dentro da “profundidade da pele” do fio, que não é proporcional ao raio.
Comentários
- Você está assumindo a resistência $ R = \ rho L / S $, onde $ S $ é a área do fio que a corrente fluxo (não necessariamente a seção transversal inteira do fio), eu me pergunto se isso vale para a corrente de frequência AC, para $ \ rho $ também muda com a frequência.
- @ C4stor que ‘ está certo, não ‘ t verifica se não há ‘ t alguma $ r $ -dependência de a quantidade de corrente fluindo. Ele verifica, no entanto, que o atual é uma propriedade ‘ t simplesmente uma ” skin ” , onde o fluxo de corrente é limitado a uma distância fixa da borda (ou similarmente, do centro). Em outras palavras, embora possa haver alguma variação, é ‘ fundamentalmente uma coisa de área, não uma coisa de circunferência. Os detalhes exatos de onde a corrente flui são menos interessantes: P
- Parece errado ignorar os efeitos AC. Consulte a Wikipedia , ela não ‘ desempenha um papel na distribuição de energia doméstica, mas ‘ é significativo quando o raio ultrapassa 1 cm.
- Outra razão para o fio ser trançado é que, se houver um defeito em qualquer ponto e quebras, a violação seja contida a um muito pequeno porção: aquela única fibra.
- O fato de que, para certos tipos de CA, a corrente corre apenas pela pele é também porque as linhas de alta tensão têm um núcleo de aço menos condutor (para resistência) com um invólucro mais condutor que executa a maior parte da atual.
Resposta
Isso não está um pouco relacionado à pergunta original, mas vale a pena mencionar que isso pode surgir como um equívoco comum devido ao fato de que a eletricidade estática se acumula na superfície de um condutor. Embora isso seja verdade, é correto que a corrente tende a fluir através a maior parte de um condutor e a densidade da corrente é medida em unidades de $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.
Além disso, a resposta de Martin é um bom argumento, o efeito de pele é relevante para correntes CA, mas a menos que você esteja lidando com polegadas – fio espesso, não fará realmente diferença. Em frequências mais altas, o fio trançado pode ajudar um pouco, mas ainda seria suscetível. Existem maneiras especiais de torcer o fio (como o fio litz para mitigar / negar o efeito, mas isso não seria necessário para a eletricidade da rede elétrica.
Comentários
- Ótimo exemplo de fio litz!
Resposta
No caso da corrente alternada, a densidade da corrente cai exponencialmente com a distância da superfície externa do fio (o” efeito pele “), conforme explicado por Martin Beckett. Isso pode ser demonstrado analiticamente a partir da aproximação quase-estática às equações de Maxwell “, como é feito no capítulo 5 de Jackson.
O caso da corrente contínua é mais interessante. Primeiro, você precisa especificar o campo elétrico externo $ {\ bf E} _0 $ that” empurra “a corrente. Isso geralmente é considerado uniforme e paralelo ao fio. As correntes através do fio tendem a se atrair e, portanto, se agrupam (conhecido como” efeito pinch “). O efeito pinch DC é discutido em 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 . Acontece que as equações de Maxwell não são suficientes para determinar com exclusividade a distribuição da densidade de corrente através da seção transversal do fio; você também precisa especificar um modelo microscópico para os portadores de carga.
Em um extremo, você pode tratar ambos os portadores de carga positiva e negativa como completamente móveis e com proporções iguais de carga para massa. Esta é uma boa descrição da condução da corrente através dos plasmas, e pinças de plasma podem ser fortes o suficiente para esmagar metal.
No outro extremo, você pode tratar as cargas positivas como completamente estacionárias na estrutura do laboratório, em densidade fixa e “imunes” aos campos eletromagnéticos, com a corrente devida inteiramente ao movimento dos portadores de carga negativa móvel. Este é um modelo mais realista para um fio de metal, uma vez que as forças interatômicas e de troca de Fermi entre os átomos de cobre são muito, muito mais fortes do que aquelas induzidas por campos aplicados típicos e correntes de elétrons. Acontece que na estrutura do laboratório, a densidade de carga linear total do fio deve ser zero no equilíbrio (caso contrário, ele trocaria elétrons com as fontes fixas e afundaria na bateria até que fosse neutralizado), mas na estrutura restante dos elétrons em movimento, o volume bruto a densidade de carga deve ser zero (caso contrário, os elétrons experimentariam uma força elétrica radial atraindo-os para perto ou para longe do eixo do fio).
Combinando esses requisitos, você obtém a seguinte imagem: defina $ R $ como o raio do fio, $ \ rho_0 $ como a densidade dos íons positivos no quadro do laboratório (em que eles estão resto), $ \ beta = v / c $, onde $ v $ é a velocidade de deriva do elétron como visto no quadro do laboratório, e $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. No quadro do laboratório, a densidade de carga do volume positivo em massa é $ \ rho_0 $ e a densidade de carga de volume negativo em massa é $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, que é maior em magnitude. Portanto, a densidade de carga do volume líquido bruto $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ é negativa, e há um campo elétrico radialmente para dentro cujo magnitude aumenta linearmente com o raio. (A geração interna desse campo elétrico radial é às vezes chamada de “efeito Hall auto-induzido”.) O campo elétrico equilibra a atração radialmente para dentro entre os elétrons devido ao fluxo de corrente. Há uma densidade de carga superficial positiva compensatória $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ em torno da superfície do fio que equilibra a carga volumétrica negativa, de modo que o campo elétrico radial desaparece do lado de fora o fio. Esta carga de superfície está em repouso na estrutura do laboratório, portanto, não contribui para a corrente.
Na estrutura dos elétrons, não há densidade de carga de volume a granel ou elétrica radial campo dentro do fio. (Há um campo magnético do movimento dos íons positivos, mas os elétrons não o sentem, pois estão em repouso neste quadro.) A carga de superfície neste quadro é $ \ sigma “= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, e a densidade linear total neste quadro é $ \ lambda “= 2 \ pi R \ sigma” = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. Neste quadro, há um campo elétrico radial fora do fio, que não afeta os electons, mas atrai ou repele partículas carregadas fora do fio.
Mas em um fio de cobre com correntes típicas, os elétrons são extremamente não relativísticos ($ \ beta \ ll 1 $), então a carga total negativa e a carga superficial positiva são extremamente pequenas.
Resposta
Como já mencionado, a condutividade é bo th teórica e empiricamente proporcional à área da seção transversal, não à circunferência. Uma explicação intuitiva (para CC ou CA de baixa frequência) resulta das forças entre os elétrons em movimento em oposição aos estáticos. Pense nisso como a Lei de Ampère, as Equações de Maxwell ou a natureza relativística do eletromagnetismo – de qualquer forma, os elétrons se movendo em direções paralelas se atraem. Portanto, a distribuição de corrente em corte transversal real resultaria das forças líquidas (atrativas e repulsivas) dos elétrons conforme eles percorrem o fio. Não estou prestes a calcular essa distribuição e uma pesquisa rápida não a encontrou. Pode verificar J. D. Jackson – não tenho mais minha cópia. De qualquer forma, a força de atração entre os elétrons em movimento paralelo é a chave para explicar por que a eletricidade flui através da maior parte do fio, em vez de apenas na superfície (onde as cargas estáticas residiriam).
Adição: para CA, consulte http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
Resposta
Eu” preferia ter apenas comentado, mas como tenho uma conta aqui apenas por causa disso, tentarei uma resposta, mas não posso deixar de tentar redirecionar alguns dos comentários aqui.
Resposta simples: Sim, em um caso ideal. Se você construir o modelo, verá que a densidade de corrente diminui para zero na linha central do condutor, onde o vetor E é zero. Isso exige algum trabalho além da declaração de Maxwell ” s Equações.
A realidade, é claro, não é tão definida e seca. Mas o gradiente de densidade de corrente ainda é muito significativo. Você quer saber por que Nikolai Tesla conseguiu demonstrar o fenômeno usando seu próprio corpo? Bem, aqui está.
Então, use fio trançado para cabos de alto-falante, conectores de ipod, etc. A capacidade de corrente total (devido ao calor) é menor, então não conecte sua casa com .
Finalmente, a separação das linhas de transmissão de energia visa reduzir as perdas devido ao acoplamento capacitivo. Mas, já que estamos no assunto, dê uma olhada na Represa Hoover. Lá você pode comprar uma seção da linha de transmissão original da represa à rede. É de cobre, feito de partes transversais radiais interligadas. E sim, é oco. Para 60 Hz.
Pronto.
Para diminuir: tente entender o conceito de densidade de corrente em um condutor.
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- O cabo trançado é usado para alto-falantes porque é mais flexível. O cabo sólido é usado para instalações permanentes porque não ‘ t flexível, portanto, não ‘ t se mover e potencialmente desgastar. O cabo sólido é usado mesmo para cabos de dados de baixa corrente em edifícios. O acoplamento capacitivo não ‘ t um problema nos cabos de alimentação no link porque as vertentes sep estão na mesma fase e com o mesmo potencial.Finalmente, os condutores ocos na barragem Hoover devem permitir o resfriamento em vez de fornecer uma segunda superfície para reduzir as perdas de pele.
Resposta
Tanto no interior (massa) quanto na superfície, dependendo da tensão e das frequências da fonte. A carga superficial é sempre necessária em um fio condutor, a fim de estabelecer o fluxo de energia sobre o fio. Existem dois tipos de densidade de corrente $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ ou $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, dependendo da dinâmica da carga de superfície: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.
Na maioria dos sistemas $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ é tão pequena que a corrente conduzida está livre de divergência (corrente de desvio típica em fios). Existem sistemas excepcionais, no entanto, em que toda a corrente é usada para alternar o sinal de carga superficial no fio, então a corrente é basicamente a corrente superficial. Em princípio, tal sistema pode transportar energia. Obrigado por compartilhar a boa pergunta e por pensar fora da caixa.
Resposta
A resposta curta é a superfície. Estar em um carro durante um raio ou queda de alta tensão mataria você. Pense também nos vídeos de Tesla em que alguém está vestindo uma armadura e não morre com os arcos de eletricidade que atingem sua cabeça; a diferença de potencial de sua cabeça aos pés, embora apenas por um momento, é suficiente para mate-o do contrário.
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- Isso não ‘ realmente responde à pergunta.
- Você ‘ está falando sobre o comportamento de uma gaiola de Faraday , que não é ‘ é o mesmo que um fio condutor de corrente.
Resposta
I” ll tente ser curto e amável; O fio trançado é capaz de fornecer alta amperagem sem superaquecimento, pois os fios dividem a carga .. I.E. cabos da bateria em seu carro. o fio trançado é superior ao sólido, mas caro para longas distâncias, então o fio sólido é usado para longas distâncias, como para sua casa (fácil de serpentear ou dobrar), linha de alimentação elétrica sólida, mas flexível. Sim, pode ser verdade que em um condutor sólido haverá menos resistência no centro, seria normal. Pegue seus eletrodomésticos, por exemplo, 120 V é fornecido para sua casa como um comprimento de onda (mantém a voltagem constante & ajuda a evitar o superaquecimento da linha) Agora examine tudo que você conecta na parede, se houver tem um motor elétrico que geralmente funciona com A / C ah! mas todo o resto é executado em DC. a maioria dos dispositivos transforma A / C em DC porque DC pode lidar com pequenos percursos com alta (amperagem, corrente, resistência ou carga). Ser um fio técnico sólido carregando A / C como uma onda significa que há espaço entre as ondas onde a eletricidade não “t fluindo que ajudam na entrega e resfriamento, entretanto você precisaria de um escopo para observá-lo …… BOA SORTE RAD3
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- Isso não ‘ não responde à pergunta do OP ‘ se o fluxo atual está espalhado uniformemente por um fio ‘ s seção transversal.