Jag hade ett samtal med min far och svärfar, som båda är i elrelaterat arbete, och vi kom till en punkt där ingen av oss visste hur man skulle gå vidare. Jag hade intrycket av att el färdas på ytan medan de trodde att den färdades genom inredningen. Jag sa att att resa över ytan skulle göra det faktum att de regelbundet använder strängad tråd istället för en enda stor tråd för att transportera el är vettigt.
Om någon skulle kunna förklara detta för vissa icke-fysik men som lutar elektriskt, skulle jag bli mycket uppskattad.
Kommentarer
- Den ledande vägen för ledare är genom ledaren och inte på ytan.
- Se en tråd som en samling av många tunna cylindriska skal. De yttre skalen har mer tvärsnittsarea än de inre. Alla har samma längd. Därför är motståndet mindre utåt. Visa detta som en parallell kombination av dessa och du kommer att se att strömmen är mer på den yttre delen av ledningen.
- @ Fantastiskt Strömtätheten är samma i alla skal (dvs. strömmen per tvärsnittsarea).
- @ Fantastiskt jag ’ är ganska säker på att ’ är inte vad OP frågade. Samma ström går genom alla regioner som har samma område. (dina skal har inte samma område)
- @Navin Har ’ t den yttre regionen mer area? $ A = 2 \ pi x dx $
Svar
Det beror på frekvensen. Likströmselektricitet går genom ledningens största tvärsnitt.
En förändrad elektrisk ström (AC) upplever hudeffekt där elen flyter lättare i ytskikten. Ju högre frekvens desto tunnare är ytskiktet som kan användas i en tråd. Vid normal hushålls AC (50 / 60Hz) är huddjupet cirka 8-10 mm men vid mikrovågsfrekvenser är metallns djup som strömmen strömmar in ungefär samma som våglängden för synligt ljus.
redigera: Intressant punkt från Navin – de enskilda strängarna måste isoleras från varandra för att hudeffekten ska kunna appliceras på var och en för sig. Det är anledningen till de mycket separerade ledningarna i den här frågan Vilka är alla linjer på ett dubbelt krets torn?
Kommentarer
- Ganska säker på att alla kraftgenereringssystem i USA körs vid 60 Hz – ” högspänning ” refererar bara till signalens amplitud. För mikrovågor, där huddjupeffekt innebär att större delen av metallvolymen inte leder, måste du använda vågledare för att föra signaler runt.
- Det betyder att även mycket höga kraftkablar kommer att tillverkas av ett antal tunnare ledningar eftersom när de är mer än 1/2 ” tjocka används inte mitten effektivt.
- Observera att normalsträngad tråd inte kommer att förbättra situationen eftersom strömmen fortfarande ser den som en stor tråd. Litz wire förhindrar detta genom att växla mellan ” inuti ” och ” utanför ” tråd.
- Mycket långdistans kraftöverföring kan faktiskt vara likström istället för växelström så ingen hudeffekt där . Men jag tror att det mesta överföringen är AC. Som andra sa är frekvensen, inte spänningen, nyckeln här
- @Navin Fascinerande, jag ’ har aldrig sett sådana ledningar. Jag ’ undrar om formen på tvärsnittet också kan användas för att effektivisera dessa högfrekventa kablar genom att använda något som har ett högre perimeter-till-area-förhållande än en cirkel. Trianglar skulle till och med packa bättre än cirklar. Heck, det finns till och med fraktaler som tessellaterar;)
Svar
Strandad tråd används för att den böjs lättare , men den har i huvudsak samma ledande egenskaper.
Strömmen flyter genom hela ledningen. Detta testas enkelt genom att mäta motståndet hos runda trådar – motståndet faller kvadratiskt med radien, vilket indikerar att det är tvärsnittsområdet som betyder.
Ändring : detta svar är endast korrekt för likström – se Beckett nedan för AC. De föränderliga magnetfälten introducerar virvelströmmar som ger hudeffekten, där ström tenderar att bara transporteras inom trådens ”huddjup”, vilket är inte proportionellt med radien.
Kommentarer
- Du antar motståndet $ R = \ rho L / S $, där $ S $ är den tråd som är aktuell flöde (inte nödvändigtvis hela ledningens tvärsnitt), jag undrar om detta gäller för AC-frekvensströmmen, för $ \ rho $ förändras också med frekvensen.
- @ C4stor att ’ stämmer, det ’ t verifierar att det inte finns ’ t något $ r $ -beroende av mängden ström som flyter. Det verifierar dock att strömmen inte är ’ t helt enkelt en ” skin ” , där strömflödet är begränsat till ett fast avstånd från kanten (eller på liknande sätt centrum). Med andra ord, även om det kan finnas en viss variation, är det ’ i grunden en områdessak, inte en omkretssak. De exakta detaljerna om var strömmen är mindre intressant: P
- Det verkar fel att ignorera AC-effekterna. Se Wikipedia , det spelar inte ’ t en roll i hushållens maktfördelning men det ’ är betydelsefullt när radien överstiger 1 cm.
- En annan anledning till att ledningen ska strängas är att om det finns en defekt någon gång och går sönder, är brottet begränsat till en mycket liten del: den enda fibern.
- Det faktum att ström för vissa typer av växelström endast går djupt är också varför kraftledningar har en mindre ledande stålkärna (för styrka) med ett mer ledande skal som kör huvuddelen av strömmen.
Svar
Detta är lite relaterat till den ursprungliga frågan, men det är värt att nämna att detta kan uppstå som en vanlig missuppfattning på grund av att statisk elektricitet ackumuleras på ytan på en ledare. Även om detta är sant är det korrekt att ström tenderar att strömma genom huvuddelen av en ledare och strömtätheten mäts i enheter på $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.
Dessutom är Martins svar en bra poäng, hudeffekten är relevant för AC-strömmar, men om du inte har att göra med tum -tjock tråd, det kommer inte att göra någon skillnad. Vid högre frekvenser kan trådad tråd kanske hjälpa lite, men den skulle fortfarande vara mottaglig. Det finns speciella sätt att trådtrådar (som litztråd för att mildra / förneka effekten, men det behövs inte för elnätet.
Kommentarer
- Bra exempel på litztråd!
Svar
När det gäller växelström sjunker strömtätheten exponentiellt med avståndet från trådens yttre yta (” hudeffekten ”), vilket förklaras av Martin Beckett. Detta kan visas analytiskt från den kvasistatiska approximationen till Maxwells ekvationer, som görs i Jackson kapitel 5.
Fallet med likström är mer intressant. Först måste du ange det externa elektriska fältet $ {\ bf E} _0 $ som ” trycker ”strömmen. Detta anses vanligtvis vara enhetligt och parallellt med ledningen. Strömmarna genom ledningen tenderar att attrahera varandra och kluster sig därför samman (så kallad” nypeffekt ”). DC-nypeffekten diskuteras i http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 och http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Det visar sig att Maxwells ekvationer inte räcker för att unikt bestämma strömtäthetsfördelningen genom trådens tvärsnitt; du måste också ange en mikroskopisk modell för laddningsbärarna.
I ett yttersta fall kan du behandla både positiva och negativa laddningsbärare som helt mobila och med samma laddnings-till-mass-förhållanden. Det här är en bra beskrivning av strömledning genom plasmor, och plasmaknipningar kan vara tillräckligt starka för att krossa metall.
Å andra sidan, du kan behandla de positiva laddningarna som helt stillastående i laboratorieramen, med fast densitet och ”immuna” mot de elektromagnetiska fälten, med strömmen helt beroende på rörelsen hos de mobila negativa laddningsbärarna. Detta är en mer realistisk modell för en metalltråd, eftersom de interatomära och Fermi utbyteskrafterna mellan kopparatomer är mycket, mycket starkare än de som induceras av typiska applicerade fält och elektronströmmar. Det visar sig att ledningens totala linjära laddningstäthet i laboratorieramen måste vara noll vid jämvikt (annars skulle det byta elektroner med de fasta källorna och sjunka vid batteriet tills det neutraliserades), men i resten av de rörliga elektronerna måste laddningsdensiteten bulkvolym vara noll (annars skulle elektronerna uppleva en radiell elektrisk kraft som drar dem mot eller bort från trådens axel).
Genom att kombinera dessa krav får du följande bild: definiera $ R $ för att vara trådens radie, $ \ rho_0 $ för att vara densiteten av positiva joner i labramen (där de är vid rest), $ \ beta = v / c $, där $ v $ är elektronens drivhastighet som visas i labramen och $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. I labramen är den positiva volymladdningstätheten $ \ rho_0 $ och den negativa volymladdningstätheten i bulk är $ – \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, vilket är större i storlek. Så den stora nettovolymens laddningstäthet $ (1 – \ gamma ^ 2) \ rho_0 = – \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ är negativ, och det finns ett radiellt inåt elektriskt fält vars magnitud ökar linjärt med radie. (Den inre generationen av detta radiella elektriska fält kallas ibland för den ”självinducerade Hall-effekten.”) Det elektriska fältet balanserar ut den radiellt inre attraktionen mellan elektroner på grund av strömflödet. Det finns en kompenserande positiv ytladdningstäthet $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ runt trådens yta som balanserar ut den negativa volymladdningen, så det radiella elektriska fältet försvinner utanför tråden. Denna ytladdning vilar i labramen, så det bidrar inte till strömmen.
I elektronernas ram finns det ingen laddningsdensitet för bulkvolym eller radiell elektrisk fält inuti tråden. (Det finns ett magnetfält från de positiva jonernas rörelse, men elektronerna känner inte det eftersom de är i vila i denna ram.) Ytladdningen i denna ram är $ \ sigma ”= ( R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, och den totala linjära densiteten i denna ram är $ \ lambda ”= 2 \ pi R \ sigma” = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. I den här ramen finns det ett radiellt elektriskt fält utanför ledningen, som inte påverkar elektronerna, men attraherar eller stöter bort laddade partiklar utanför ledningen.
Men i en koppartråd med typiska strömmar är elektronerna extremt icke-relativistiska ($ \ beta \ ll 1 $), så den negativa nettoladdningen och den positiva ytladdningen är extremt små.
Svar
Som redan nämnts är konduktiviteten bo teoretiskt och empiriskt proportionellt mot tvärsnittsområdet, inte omkretsen. En intuitiv förklaring (för likström eller lågfrekvent växelström) är resultatet av krafterna mellan rörliga elektroner i motsats till statiska. Tänk på det som Amperes Law, Maxwells ekvationer eller den relativistiska naturen hos elektromagnetik – på något sätt lockar elektroner som rör sig i parallella riktningar. Så den faktiska tvärsnittsströmfördelningen skulle bero på elektronernas nätkrafter (både attraktiva och frånstötande) när de sträcker sig genom ledningen. Jag är inte på väg att beräkna den fördelningen och en snabb sökning hittade den inte. Kanske kolla J. D. Jackson – jag har inte mitt exemplar längre. Hur som helst, attraktionskraften mellan parallella rörliga elektroner är nyckeln till varför elektricitet strömmar genom huvuddelen av ledningen i motsats till precis på ytan (där statiska laddningar skulle finnas).
Tillägg: För AC, se http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf
Svar
Jag skulle hellre precis ha kommenterat, men eftersom jag fick ett konto här bara på grund av detta kommer jag att försöka svara, men kan inte låta bli att försöka omdirigera en del av kommentarerna här.
Enkelt svar: Ja, i idealfallet. Om du konstruerar modellen ser du att strömtätheten krymper till noll vid ledarens mittlinje, där E-vektorn är noll. Detta tar lite arbete utöver uttalandet från Maxwell ” s Ekvationer.
Verkligheten är naturligtvis inte så klippt och torkat. Men strömtäthetsgradienten är fortfarande mycket betydelsefull. Vill du veta varför Nikolai Tesla kunde demonstrera fenomenet med sin egen kropp? Tja, här har du det.
Så använd trådad kabel för högtalarkablar, iPod-uttag etc. Den totala strömkapaciteten (på grund av värme) är lägre, så koppla inte ditt hus med Det är slutligen.
Slutligen är separationen av kraftöverföringsledningar att minska förluster på grund av kapacitiv koppling. Men medan vi handlar om ämnet, kolla in Hoover Dam. Där kan du köpa en del av den ursprungliga transmissionsledningen från dammen till nätet. Det är koppar, gjord av sammankopplade radiella tvärsnittsdelar. Och ja, det är ihåligt. För 60Hz.
Där går du.
För att minska: Försök att förstå begreppet strömtäthet i en ledare.
Kommentarer
- Strandad kabel används för högtalare eftersom den är mer flexibel. Solid kabel används för permanenta installationer eftersom den inte är ’ t flexibel så kommer ’ inte att röra sig och eventuellt fray. Solid kabel används även för datakablar med låg ström i byggnader. div> t ett problem i strömkablarna i länken eftersom sep-strängarna är i samma fas och med samma potential.Slutligen är de ihåliga ledarna vid svävdammen troligen för att möjliggöra kylning snarare än att ge en andra yta för att minska hudförluster.
Svar
Både i det inre (bulk) och på ytan, beroende på källspänning och frekvenser. Ytladdning krävs alltid på en ledande ledning för att skapa kraftflöde över ledningen. Det finns två typer av strömtäthet $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ eller $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, beroende på ytladdningsdynamiken: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.
I de flesta system är $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ så liten att den ledda strömmen är fri från divergens (typisk drivström i ledningar). Det finns dock exceptionella system, så att all ström används för att alternera tecknet på ytladdning på ledningen, då är strömmen i princip ytström. I princip kan ett sådant system transportera kraft. Tack för att du delade den goda frågan och för att tänka ut ur rutan.
Svar
Det korta svaret är ytan. Att vara i en bil under ett blixtnedslag eller högspänningsledningsfall skulle döda dig. Tänk också på Tesla-filmerna där någon bär en rustning och inte dör av elektricitetsbågarna som slår honom i huvudet. Skillnaden i potential från huvudet till fötterna, även om det bara är ett ögonblick, räcker för att döda honom annars.
Kommentarer
- Detta svarar inte ’ t verkligen på frågan.
- Du ’ talar om beteendet hos en Faradays bur , som inte är ’ t samma som en strömförande kabel.
Svar
I” ll försök att hålla den kort och söt; Strandad tråd kan leverera hög ström utan överhettning eftersom trådarna delar belastningen..I.E. batterikablar på din bil. strandad tråd är överlägsen solid men för dyr för långa körningar, så solid tråd används för långa körningar som för ditt hus (lätt att orka eller böja) solid men flexibel elförsörjningslinje. Ja det är sant att på en fast ledare kommer det att finnas mindre motstånd i mitten, det skulle vara nominellt. Ta till exempel dina hushållsapparater, 120v levereras till ditt hem som en våglängd (håller spänningen konstant & hjälper till att hålla ledningen från överhettning) Undersök nu allt du ansluter till väggen, om det har en elmotor, det går vanligtvis A / C ah! men allt annat körs på DC. de flesta enheter omvandlar A / C till DC eftersom DC kan hantera korta körningar med hög (Ampherage, Current, Resistance eller Load) Att vara lite teknisk solid wire som bär A / C som en våg betyder att det finns utrymme mellan vågorna där el inte är ”t flyter som hjälper till vid leverans och kylning men du behöver ett utrymme för att observera det …… LYCKA RAD3
Kommentarer
- Detta svarar inte ’ t OP ’ frågan om det aktuella flödet sprids enhetligt över en tråd ’ tvärsnitt.