Frage:
Fließt Strom auf der Oberfläche eines Drahtes oder im Innenraum?
N. Owad
2014-04-25 06:30:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ich hatte ein Gespräch mit meinem Vater und meinem Schwiegervater, die beide im Elektrobereich arbeiten, und wir kamen zu einem Punkt, an dem keiner von uns wusste, wie er vorgehen sollte. Ich hatte den Eindruck, dass Elektrizität an der Oberfläche wandert, während sie dachten, sie wandere durch das Innere. Ich sagte, dass das Reisen über die Oberfläche die Tatsache sinnvoll machen würde, dass sie regelmäßig Litzen anstelle eines einzelnen großen Drahtes verwenden, um Elektrizität zu transportieren.

Wenn jemand dies bitte für einige nicht-physikalische, aber elektrisch geneigte Menschen erklären könnte, wäre ich sehr dankbar.

Der dominante Weg für Leiter führt durch den Leiter und nicht an der Oberfläche.
Betrachten Sie einen Draht als eine Ansammlung vieler dünner zylindrischer Schalen.Die Außenschalen haben im Vergleich zu den Innenschalen eine größere Querschnittsfläche.Alle haben die gleiche Länge.Daher ist der Widerstand weniger nach außen gerichtet.Betrachten Sie dies als eine parallele Kombination von diesen und Sie werden sehen, dass der Strom am ** äußeren ** Teil des Kabels ** mehr ** ist.
@Awesome Die Stromdichte ist in allen Schalen gleich (d. H. Der Strom pro Querschnittseinheit).
@Awesome Ich bin mir ziemlich sicher, dass OP das nicht gefragt hat.Der gleiche Strom fließt durch alle Regionen mit der gleichen Fläche.(Ihre Muscheln haben nicht die gleiche Fläche)
@Navin Hat die äußere Region nicht mehr Fläche? $ A = 2 \ pi x dx $
@Awesome In gewissem Sinne ja.Der gleiche Gleichstrom fließt jedoch durch alle Regionen mit der gleichen Fläche.(siehe @David) Dies gilt nicht für Wechselstrom (nicht aufgrund der von Ihnen beschriebenen Geometrie, sondern weil die sich bewegenden Ladungen miteinander interagieren).
Neun antworten:
Martin Beckett
2014-04-25 09:07:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Das hängt von der Frequenz ab. Gleichstrom fließt durch den Volumenquerschnitt des Drahtes.

Ein sich ändernder elektrischer Strom (AC) erfährt den Hauteffekt, bei dem die Elektrizität in den Oberflächenschichten leichter fließt. Je höher die Frequenz, desto dünner ist die Oberflächenschicht, die in einem Draht verwendet werden kann. Bei normalem Wechselstrom im Haushalt (50/60 Hz) beträgt die Hauttiefe etwa 8 bis 10 mm, bei Mikrowellenfrequenzen entspricht die Tiefe des Metalls, in das der Strom fließt, etwa der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

Bearbeiten: Interessanter Punkt von Navin - Die einzelnen Stränge müssen voneinander isoliert werden, damit der Hauteffekt auf jeden einzelnen angewendet werden kann. Dies ist der Grund für die weit auseinander liegenden Adernpaare in dieser Frage. Was sind alle Leitungen auf einem Zweikreisturm?

Es kommt also vor, dass mein Vater ein Lineman ist, was bedeutet, dass er normalerweise mit 69 kV bis 500 kV hohen Leitungen arbeitet.Ich weiß nicht, mit welcher Frequenz eine solche Leistung ausgeführt wird, aber wissen Sie, was dies für meine Frage bedeuten wird?
Ziemlich sicher, dass alle Stromerzeugungssysteme in den USA mit 60 Hz betrieben werden - die "Hochspannung" bezieht sich nur auf die Amplitude des Signals.Für Mikrowellen, bei denen der Hauttiefeneffekt bedeutet, dass der größte Teil des Metallvolumens nicht leitend ist, müssen Sie [Wellenleiter] (https://en.wikipedia.org/wiki/Waveguide) verwenden, um Signale zu übertragen.
Dies bedeutet, dass selbst sehr leistungsstarke Kabel aus einer Reihe dünnerer Drähte bestehen, da die Mitte bei einer Dicke von mehr als 1/2-Zoll nicht effizient genutzt wird.
Beachten Sie, dass normaler Litzendraht die Situation nicht verbessert, da der Strom ihn immer noch als einen großen Draht sieht.[Litzendraht] (https://en.wikipedia.org/wiki/Litz_wire) verhindert dies, indem der "innere" und der "äußere" Draht abgewechselt werden.
Die Energieübertragung über große Entfernungen kann eher Gleichstrom als Wechselstrom sein, sodass dort kein Hauteffekt auftritt.Aber ich denke, die meisten Übertragungen sind Wechselstrom.Wie andere sagten, ist hier die Frequenz, nicht die Spannung, der Schlüssel
Ein Lehrbuchbeispiel einer Folgerung direkt aus Maxwell-Gleichungen.
@Navin Faszinierend, ich habe noch nie solche Drähte gesehen.Ich frage mich, ob die Form des Querschnitts auch verwendet werden könnte, um diese Hochfrequenzkabel effizienter zu machen, indem etwas verwendet wird, das ein höheres Verhältnis von Umfang zu Fläche als ein Kreis aufweist.Dreiecke würden sogar besser packen als Kreise.Heck, es gibt sogar Fraktale, die tessellieren;)
Scott Lawrence
2014-04-25 06:40:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Litzendraht wird verwendet, weil er sich leichter biegt, aber im Wesentlichen die gleichen Leitfähigkeitseigenschaften aufweist.

Strom fließt durch den gesamten Draht. Dies lässt sich leicht testen, indem der Widerstand von Runddrähten gemessen wird. Der Widerstand fällt quadratisch mit dem Radius ab, was darauf hinweist, dass es auf die Querschnittsfläche ankommt.

Änderung : Diese Antwort ist nur für Gleichstrom korrekt - siehe Beckett unten für Wechselstrom. Die sich ändernden Magnetfelder führen Wirbelströme ein, die den Hauteffekt hervorrufen, wobei der Strom dazu neigt, nur innerhalb der "Hauttiefe" des Drahtes geführt zu werden, die nicht proportional zum Radius ist.

Sie nehmen den Widerstand $ R = \ rho L / S $ an, wobei $ S $ der Bereich des Drahtes ist, in dem Strom fließt (nicht unbedingt der gesamte Querschnitt des Drahtes). Ich frage mich, ob dies für den Wechselstrom gilt, denn $ \ rho $ ändert sich auch mit der Frequenz.
Obwohl ich der Antwort zustimme, wird sie durch den von Ihnen vorgeschlagenen Test nicht überprüft, da selbst wenn der Strom nur durch den Kern 10% des Drahtes fließen würde, Sie dieselbe quadratische Abhängigkeit vom Radius hätten.
@C4stor das stimmt, es bestätigt nicht, dass es keine $ r $ -abhängigkeit von der Menge des fließenden Stroms gibt.Es wird jedoch überprüft, dass Strom nicht einfach eine "Skin" -Eigenschaft ist, bei der der Stromfluss auf einen festen Abstand von der Kante (oder ähnlich der Mitte) begrenzt ist.Mit anderen Worten, obwohl es einige Variationen geben mag, handelt es sich im Grunde genommen um eine Flächensache, nicht um eine Umfangssache.Die genauen Details, wo der Strom fließt, sind weniger interessant: P.
Es scheint falsch, die Wechselstromeffekte zu ignorieren.Siehe [Wikipedia] (http://en.wikipedia.org/wiki/Skin_effect#Examples), es spielt keine Rolle bei der Stromverteilung im Haushalt, ist aber wichtig, wenn der Radius 1 cm überschreitet.
Ein weiterer Grund für die Verseilung des Drahtes besteht darin, dass bei einem Defekt an einer beliebigen Stelle und einem Bruch die Verletzung auf einen sehr kleinen Teil beschränkt ist: diese einzelne Faser.
@Davidmh Ja, das ist ein wirklich guter Punkt.Ich bin ehrlich - meine Erfahrung im Umgang mit diesen praktischen Dingen ist begrenzt.(Ich weiß, dass verdrillte Litzen auch dazu beitragen können, Störungen zu reduzieren, und sie werden in Ethernet-Kabeln verwendet.)
Die Tatsache, dass Strom für bestimmte Arten von Wechselstrom nur hauttief fließt, ist auch der Grund, warum Stromleitungen einen weniger leitenden Stahlkern (aus Gründen der Festigkeit) mit einer leitfähigeren Hülle haben, die den Großteil des Stroms fließt.
krs013
2014-04-25 12:41:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dies hat etwas nichts mit der ursprünglichen Frage zu tun, aber es ist erwähnenswert, dass dies als häufiges Missverständnis auftreten kann, da sich auf der Oberfläche eines Leiters statische Elektrizität ansammelt. Dies ist zwar richtig, aber es ist richtig, dass Strom dazu neigt, durch die Masse eines Leiters zu fließen, und die Stromdichte wird in Einheiten von $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $ gemessen.

Auch Martins Antwort macht einen guten Punkt, der Hauteffekt ist für Wechselströme relevant, aber wenn Sie nicht mit zolldicken Drähten arbeiten, wird es keinen wirklichen Unterschied machen. Bei höheren Frequenzen könnte der Litzendraht ein wenig helfen, ist aber dennoch anfällig. Es gibt spezielle Möglichkeiten, Drähte zu verlegen (wie den Litzendraht, um den Effekt abzuschwächen / zu negieren, dies wäre jedoch für den Netzstrom nicht erforderlich.

Tolles Beispiel für Litzendraht!
abalter
2014-04-26 00:29:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wie bereits erwähnt, ist die Leitfähigkeit sowohl theoretisch als auch empirisch proportional zur Querschnittsfläche und nicht zum Umfang. Eine intuitive Erklärung (für Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom) ergibt sich aus den Kräften zwischen sich bewegenden und nicht statischen Elektronen. Stellen Sie sich das als Ampere-Gesetz, Maxwell-Gleichungen oder als relativistische Natur der Elektromagnetik vor - so oder so ziehen sich Elektronen an, die sich in parallelen Richtungen bewegen. Die tatsächliche Querschnittsstromverteilung würde sich also aus den Nettokräften (sowohl anziehend als auch abstoßend) der Elektronen ergeben, wenn sie durch den Draht laufen. Ich bin nicht im Begriff, diese Verteilung zu berechnen, und eine schnelle Suche hat sie nicht gefunden. Könnte überprüfen J. D. Jackson - Ich habe meine Kopie nicht mehr. Wie auch immer, die Anziehungskraft zwischen parallel bewegten Elektronen ist der Schlüssel dafür, warum Elektrizität durch die Masse des Drahtes fließt und nicht nur an der Oberfläche (wo sich statische Ladungen befinden würden).

Addition: Für Wechselstrom, Siehe http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf

JohnnyFever
2014-04-27 11:51:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ich hätte lieber nur einen Kommentar abgegeben, aber da ich hier nur aus diesem Grund einen Account habe, werde ich versuchen, eine Antwort zu finden, kann aber nicht anders, als zu versuchen, einen Teil des Kommentars hier umzuleiten.

Einfach Antwort: Ja, im Idealfall. Wenn Sie das Modell konstruieren, werden Sie sehen, dass diese Stromdichte an der Mittellinie des Leiters auf Null schrumpft, wobei der E-Vektor Null ist. Dies erfordert einige Arbeiten, die über die Aussage von Maxwells Gleichungen hinausgehen.

Die Realität ist natürlich nicht so geschnitten und getrocknet. Der Gradient der Stromdichte ist jedoch immer noch sehr signifikant. Möchten Sie wissen, warum Nikolai Tesla das Phänomen mit seinem eigenen Körper demonstrieren kann? Nun, hier haben Sie es.

Verwenden Sie also Litzen für Lautsprecherkabel, iPod-Buchsen usw. Die Gesamtstromkapazität (aufgrund von Hitze) ist geringer. Verdrahten Sie Ihr Haus also nicht damit.

Schließlich dient die Trennung von Stromübertragungsleitungen dazu, Verluste aufgrund kapazitiver Kopplung zu reduzieren. Aber während wir über das Thema sprechen, schauen Sie sich den Hoover Dam an. Dort können Sie einen Abschnitt der ursprünglichen Übertragungsleitung vom Damm zum Netz kaufen. Es ist Kupfer, das aus ineinandergreifenden Teilen mit radialem Querschnitt besteht. Und ja, es ist hohl. Für 60 Hz.

Los geht's.

Abatter: Bitte versuchen Sie, das Konzept der Stromdichte in einem Leiter zu verstehen.

Litzenkabel werden für Lautsprecher verwendet, da sie flexibler sind.Massives Kabel wird für dauerhafte Installationen verwendet, da es nicht flexibel ist, sich also nicht bewegt und möglicherweise ausfranst.Massivkabel werden auch für Niedrigstrom-Datenkabel in Gebäuden verwendet.Die kapazitive Kopplung ist bei den Stromkabeln in der Verbindung kein Problem, da sich die Sep-Stränge in derselben Phase und auf demselben Potenzial befinden.Schließlich sollen die Hohlleiter am Staubsaugerdamm wahrscheinlich eher eine Kühlung ermöglichen als eine zweite Oberfläche zur Verringerung der Hautverluste.
tparker
2017-02-04 01:33:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Bei Wechselstrom fällt die Stromdichte exponentiell mit dem Abstand von der Außenfläche des Drahtes ab (der "Hauteffekt"), wie von Martin Beckett erläutert. Dies kann analytisch anhand der quasistatischen Annäherung an die Maxwellschen Gleichungen gezeigt werden, wie dies in Jackson, Kapitel 5, getan wird.

Der Fall von Gleichstrom ist interessanter. Zuerst müssen Sie das externe elektrische Feld $ {\ bf E} _0 $ angeben, das den Strom "drückt". Dies wird normalerweise als gleichmäßig und parallel zum Draht angesehen. Die Ströme durch den Draht neigen dazu, sich gegenseitig anzuziehen und sich daher zu sammeln (bekannt als "Quetscheffekt"). Der DC-Pinch-Effekt wird unter http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305, http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119 erläutert /1.14075 und http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271. Es stellt sich heraus, dass die Maxwellschen Gleichungen nicht ausreichen, um die Stromdichteverteilung über den Drahtquerschnitt eindeutig zu bestimmen. Sie müssen auch ein mikroskopisches Modell für die Ladungsträger angeben.

In einem Extremfall können Sie sowohl die positiven als auch die negativen Ladungsträger als vollständig mobil und mit gleichen Ladungs-Masse-Verhältnissen behandeln. Dies ist eine gute Beschreibung der Stromleitung durch Plasmen, und Plasma-Quetschungen können stark genug sein, um Metall zu zerkleinern.

Im anderen Extremfall können Sie die positiven Ladungen als vollständig stationär im Laborrahmen mit fester Dichte und "immun" gegen elektromagnetische Felder behandeln, wobei der Strom vollständig auf die Bewegung der mobilen negativen Ladungsträger zurückzuführen ist.Dies ist ein realistischeres Modell für einen Metalldraht, da die interatomaren und Fermi-Austauschkräfte zwischen Kupferatomen viel, viel stärker sind als diejenigen, die durch typische angelegte Felder und Elektronenströme induziert werden.Es stellt sich heraus, dass im Laborrahmen die gesamte lineare Ladungsdichte des Drahtes im Gleichgewicht Null sein muss (andernfalls würde er Elektronen mit den festen Quellen austauschen und an der Batterie sinken, bis sie neutralisiert ist), aber in derIm Ruhezustand der sich bewegenden Elektronen muss die Ladungsdichte des Volumenvolumens Null sein (andernfalls würden die Elektronen eine radiale elektrische Kraft erfahren, die sie zur Drahtachse hin oder von dieser weg zieht).

Wenn Sie diese Anforderungen kombinieren, erhalten Sie das folgende Bild: Definieren Sie $ R $ als den Radius des Drahtes, $ \ rho_0 $ als die Dichte positiver Ionen im Laborrahmen (in dem sie sich in Ruhe befinden), $ \ beta = v / c $, wobei $ v $ die Driftgeschwindigkeit des Elektrons ist, wie im Laborrahmen zu sehen, und $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. Im Laborrahmen beträgt die Ladungsdichte des positiven Volumenvolumens $ \ rho_0 $ und die Ladungsdichte des negativen Volumenvolumens $ - \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, was eine größere Größe ist. Die Ladungsdichte des Nettovolumenvolumens $ (1 - \ gamma ^ 2) \ rho_0 = - \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ ist also negativ, und es gibt ein radial nach innen gerichtetes elektrisches Feld, dessen Die Größe nimmt linear mit dem Radius zu. (Die interne Erzeugung dieses radialen elektrischen Feldes wird manchmal als "selbstinduzierter Hall-Effekt" bezeichnet.) Das elektrische Feld gleicht die radial nach innen gerichtete Anziehung zwischen Elektronen aufgrund des Stromflusses aus. Um die Oberfläche des Drahtes herum befindet sich eine kompensierende positive Oberflächenladungsdichte $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, die die negative Volumenladung ausgleicht, sodass das radiale elektrische Feld nach außen verschwindet das Kabel. Diese Oberflächenladung befindet sich im Laborrahmen in Ruhe, sodass sie nicht zum Strom beiträgt.

Im Elektronenrahmen gibt es keine Ladungsdichte des Volumenvolumens oder ein radiales elektrisches Feld innerhalb des Drahtes. (Es gibt ein Magnetfeld von der Bewegung der positiven Ionen, aber die Elektronen fühlen es nicht, da sie in diesem Rahmen ruhen.) Die Oberflächenladung in diesem Rahmen beträgt $ \ sigma '= (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, und die gesamte lineare Dichte in diesem Rahmen beträgt $ \ lambda '= 2 \ pi R \ sigma' = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. In diesem Rahmen gibt es ein radiales elektrisches Feld außerhalb des Drahtes, das die Elektronen nicht beeinflusst, aber geladene Teilchen außerhalb des Drahtes anzieht oder abstößt.

In einem Kupferdraht mit typischen Strömen sind die Elektronen jedoch extrem nicht relativistisch ($ \ beta \ ll 1 $), sodass die negative Nettoladungsladung und die positive Oberflächenladung extrem klein sind.

ProfRaccoon
2018-02-07 20:48:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Abhängig von der Quellenspannung und den Frequenzen sowohl im Innenraum (Bulk) als auch an der Oberfläche.Auf einem leitenden Draht ist immer eine Oberflächenladung erforderlich, um einen Stromfluss über den Draht herzustellen.Es gibt zwei Arten der Stromdichte $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ oder $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, abhängig von der Dynamik der Oberflächenladung: $ \ operatorname{div} \ boldsymbol J + \ frac {\ teilweise \ rho} {\ partielle t} = 0 $.

In den meisten Systemen ist $ \ frac {\ partielle \ rho} {\ partielle t} $ so klein, dass der geleitete Strom frei von Divergenz ist (typischer Driftstrom in Drähten).Es gibt jedoch außergewöhnliche Systeme, so dass der gesamte Strom verwendet wird, um das Vorzeichen der Oberflächenladung auf dem Draht zu wechseln, dann ist der Strom im Grunde ein Oberflächenstrom.Im Prinzip könnte ein solches System Strom transportieren.Vielen Dank, dass Sie die gute Frage geteilt und über den Tellerrand hinaus gedacht haben.

Steve
2014-04-26 11:54:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Die kurze Antwort ist die Oberfläche. Wenn Sie während eines Blitzschlags oder eines Hochspannungsleitungsabfalls in einem Auto sitzen, werden Sie getötet. Denken Sie auch an die Tesla-Videos, in denen jemand eine Rüstung trägt und nicht an den Lichtbögen stirbt, die ihn in den Kopf treffen. Der Unterschied im Potenzial von Kopf bis Fuß reicht, wenn auch nur für einen Moment, aus, um ihn anderweitig zu töten.

Dies beantwortet die Frage nicht wirklich.
Sie sprechen über das Verhalten eines [Faradayschen Käfigs] (http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage), der nicht mit einem stromführenden Draht identisch ist.
user63536
2014-11-04 16:06:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ich werde versuchen, es kurz und bündig zu halten. Litzendraht kann eine hohe Stromstärke ohne Überhitzung liefern, da die Litzen die Last teilen. Batteriekabel an Ihrem Auto. Litzendraht ist massiv, aber für lange Läufe zu teuer. Daher wird massiver Draht für lange Läufe verwendet, z. B. für die feste, aber flexible Versorgungsleitung Ihres Elektrizitätsunternehmens (leicht zu schlängeln oder zu biegen). Ja, es ist wahr, dass auf einem festen Leiter weniger Widerstand in der Mitte vorhanden ist, es wäre nomimnal. Nehmen Sie zum Beispiel Ihre Haushaltsgeräte. 120 V werden als Wellenlänge an Ihr Haus geliefert (hält die Spannung konstant. & verhindert, dass die Leitung überhitzt). Untersuchen Sie nun alles, was Sie an die Wand anschließen. Wenn es einen Elektromotor hat, läuft normalerweise eine Klimaanlage ! aber alles andere läuft auf DC. Die meisten Geräte wandeln A / C in DC um, da DC kurze Läufe mit hoher Spannung (Stromstärke, Strom, Widerstand oder Last) bewältigen kann. Ein kleiner technischer Massivdraht, der A / C als Welle trägt, bedeutet, dass zwischen den Wellen Platz ist, wo kein Strom vorhanden ist Es fließt nicht, was bei der Lieferung und Kühlung hilft, aber Sie würden einen Bereich benötigen, um es zu beobachten ...... VIEL GLÜCK RAD3

Dies beantwortet nicht die Frage des OP, ob der Stromfluss gleichmäßig über den Querschnitt eines Drahtes verteilt ist.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
Loading...