Question:
L'électricité circule-t-elle à la surface d'un fil ou à l'intérieur?
N. Owad
2014-04-25 06:30:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

J'avais une conversation avec mon père et mon beau-père, tous deux travaillant dans le domaine de l'électricité, et nous sommes arrivés à un point où aucun de nous ne savait comment procéder. J'avais l'impression que l'électricité circule à la surface alors qu'ils pensaient qu'elle traversait l'intérieur. J'ai dit que voyager à la surface rendrait le fait qu'ils utilisent régulièrement du fil toronné au lieu d'un seul gros fil pour transporter l'électricité logique.

Si quelqu'un pouvait s'il vous plaît expliquer cela pour des personnes non physiques mais électriquement inclinées, je serais très apprécié.

Le chemin dominant pour les conducteurs passe par le conducteur et non par la surface.
Voir un fil comme une collection de nombreuses coquilles cylindriques minces.Les coques extérieures ont une plus grande section transversale par rapport aux coques intérieures.Tous ont la même longueur.Par conséquent, la résistance est moins extérieure.Considérez ceci comme une combinaison parallèle de ceux-ci et vous verrez que le courant est ** plus ** sur la partie ** externe ** du fil.
@Awesome La densité de courant est la même dans tous les coques (c'est-à-dire le courant par unité de section transversale).
@Awesome Je suis presque sûr que ce n'est pas ce que demandait OP.Le même courant traverse toutes les régions qui ont la même superficie.(vos coquilles n'ont pas la même surface)
@Navin La région extérieure n'a-t-elle pas plus de surface? $ A = 2 \ pi x dx $
@Awesome Dans un sens, oui.Cependant, le même courant continu traverse toutes les régions qui ont la même zone.(voir @David) Ce n'est pas vrai pour AC (pas à cause de la géométrie que vous avez décrite, mais parce que les charges mobiles interagissent les unes avec les autres).
Neuf réponses:
Martin Beckett
2014-04-25 09:07:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Cela dépend de la fréquence. L'électricité CC traverse la section transversale en vrac du fil.

Un courant électrique (CA) changeant subit l ' effet de peau où l'électricité circule plus facilement dans les couches de surface. Plus la fréquence est élevée, plus la couche de surface utilisable dans un fil est fine. En courant alternatif domestique normal (50/60 Hz), la profondeur de la peau est d'environ 8 à 10 mm, mais aux fréquences des micro-ondes, la profondeur du métal dans lequel le courant circule est à peu près la même qu'une longueur d'onde de la lumière visible

modifier: Point intéressant de Navin - les brins individuels doivent être isolés les uns des autres pour que l'effet peau s'applique à chacun individuellement. C'est la raison pour laquelle les paires de fils largement séparées dans cette question Quelles sont toutes les lignes sur une tour à double circuit?

Donc, il arrive que mon père soit monteur de lignes, ce qui signifie qu'il travaille généralement avec des lignes de 69 kV à 500 kV.Je ne connais pas la fréquence à laquelle une telle puissance fonctionne, mais savez-vous ce que cela signifie pour ma question?
À peu près sûr, tous les systèmes de production d'électricité aux États-Unis fonctionnent à 60 Hz - la «haute tension» se réfère simplement à l'amplitude du signal.Pour les micro-ondes, où l'effet de profondeur de peau signifie que la majeure partie du volume métallique n'est pas conductrice, vous devez utiliser des [guides d'ondes] (https://en.wikipedia.org/wiki/Waveguide) pour transporter les signaux.
Cela signifie que même les câbles de très haute puissance seront constitués d'un certain nombre de fils plus minces, car une fois qu'ils ont plus de 1/2 "d'épaisseur, le centre n'est pas utilisé efficacement.
Notez que le fil toronné normal n'améliorera pas la situation car le courant le considère toujours comme un gros fil.[Litz wire] (https://en.wikipedia.org/wiki/Litz_wire) empêche cela en alternant les fils «intérieur» et «extérieur».
La transmission de puissance à très longue distance peut en fait être CC plutôt que CA, donc pas d'effet cutané.Mais je pense que la plupart des transmissions sont AC.Comme d'autres l'ont dit, la fréquence, pas la tension, est la clé ici
Un exemple de manuel d'un corollaire directement des équations de Maxwell.
@Navin Fascinant, je n'ai jamais vu de tels fils.Je me demande si la forme de la section transversale pourrait également être utilisée pour rendre ces câbles haute fréquence plus efficaces en utilisant quelque chose qui a un rapport périmètre / surface plus élevé qu'un cercle.Les triangles seraient même mieux emballés que les cercles.Heck, il y a même des fractales qui tessellent;)
Scott Lawrence
2014-04-25 06:40:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Le fil toronné est utilisé car il se plie plus facilement, mais il a essentiellement les mêmes propriétés conductrices.

Le courant circule dans tout le fil. Cela se vérifie facilement en mesurant la résistance des fils ronds - la résistance chutera de façon quadratique avec le rayon, indiquant que c'est la section transversale qui compte.

Amendement : cette réponse n'est correct que pour le courant continu - voir Beckett ci-dessous pour le courant alternatif. Les champs magnétiques changeants introduisent des courants de Foucault qui produisent l'effet de peau, où le courant a tendance à être transporté uniquement dans la "profondeur de peau" du fil, qui n'est pas proportionnelle au rayon.

Vous supposez la résistance $ R = \ rho L / S $, où $ S $ est la zone du fil où le courant circule (pas nécessairement toute la section transversale du fil), je me demande si cela vaut pour le courant de fréquence AC, pour $ \ rho $ est également changé avec la fréquence.
Bien que je sois d'accord avec la réponse, le test que vous proposez ne la vérifie pas, car même si le courant ne traversait que le noyau 10% du fil, vous auriez la même dépendance quadratique du rayon.
@C4stor c'est vrai, cela ne vérifie pas qu'il n'y a pas de dépendance $ r $ de la quantité de courant circulant.Il vérifie, cependant, que le courant n'est pas simplement une propriété de "peau", où le flux de courant est limité à une distance fixe du bord (ou de manière similaire, du centre).En d'autres termes, bien qu'il puisse y avoir des variations, c'est fondamentalement une chose de zone, pas une chose de circonférence.Les détails exacts de l'endroit où les flux actuels sont moins intéressants:
Il semble erroné d'ignorer les effets AC.Voir [Wikipedia] (http://en.wikipedia.org/wiki/Skin_effect#Examples), il ne joue pas de rôle dans la distribution d'énergie domestique mais il est significatif lorsque le rayon dépasse 1 cm.
Une autre raison pour laquelle le fil est toronné est que s'il y a un défaut à tout moment et se casse, la brèche est contenue dans une très petite partie: cette seule fibre.
@Davidmh ouais, c'est un très bon point.Je vais être honnête - mon expérience de ces aspects pratiques est limitée.(Je sais que le fil toronné torsadé peut également aider à réduire les interférences et est utilisé dans les câbles Ethernet.)
Le fait que, pour certains types de courant alternatif, le courant ne passe qu'à la surface de la peau est également la raison pour laquelle les lignes électriques ont un noyau en acier moins conducteur (pour la résistance) avec une coque plus conductrice qui exécute la majeure partie du courant.
krs013
2014-04-25 12:41:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ceci est un peu sans rapport avec la question initiale, mais il convient de mentionner que cela peut survenir comme une idée fausse courante du fait que l'électricité statique s'accumule à la surface d'un conducteur. Bien que cela soit vrai, il est vrai que le courant a tendance à traverser la majeure partie d'un conducteur, et la densité de courant est mesurée en unités de $ \ text {A} / \ text {m} ^ 2 $.

De plus, la réponse de Martin fait valoir un bon point, l'effet de peau est pertinent pour les courants alternatifs, mais à moins que vous n'ayez affaire à un fil épais d'un pouce, cela ne fera pas vraiment de différence. À des fréquences plus élevées, le fil toronné pourrait aider un peu, mais il serait toujours sensible. Il existe des moyens spéciaux de toronner le fil (comme le fil litz pour atténuer / annuler l'effet, mais cela ne serait pas nécessaire pour l'électricité du secteur.

Excellent exemple de fil litz!
abalter
2014-04-26 00:29:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Comme déjà mentionné, la conductivité est à la fois théoriquement et empiriquement proportionnelle à l'aire de la section transversale, pas à la circonférence. Une explication intuitive (pour DC ou AC basse fréquence) résulte des forces entre électrons en mouvement par opposition aux électrons statiques. Pensez-y comme la loi d'Ampère, les équations de Maxwell ou la nature relativiste de l'électromagnétique - de toute façon, les électrons se déplaçant dans des directions parallèles s'attirent. Ainsi, la distribution du courant en coupe réelle résulterait des forces nettes (à la fois attractives et répulsives) des électrons lorsqu'ils se déplacent à travers le fil. Je ne suis pas sur le point de calculer cette distribution, et une recherche rapide ne l'a pas trouvée. Je pourrais vérifier J. D. Jackson - Je n'ai plus ma copie. Quoi qu'il en soit, la force d'attraction entre les électrons en mouvement parallèle est la clé de la raison pour laquelle l'électricité circule dans la majeure partie du fil plutôt que juste à la surface (où les charges statiques résideraient).

Ajout: Pour le courant alternatif, voir 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

J'aurais préféré juste commenter, mais comme j'ai un compte ici juste à cause de cela, je vais essayer de répondre, mais je ne peux pas m'empêcher d'essayer de rediriger certains des commentaires ici.

Simple réponse: Oui, dans un cas idéal. Si vous construisez le modèle, vous verrez que cette densité de courant diminue à zéro au niveau de la ligne médiane du conducteur, où le vecteur E est égal à zéro. Cela prend un peu de travail au-delà de l'énoncé des équations de Maxwell.

La réalité n'est bien sûr pas si simple. Mais le gradient de densité de courant est toujours très important. Voulez-vous savoir pourquoi Nikolai Tesla a pu démontrer le phénomène en utilisant son propre corps? Eh bien, vous l'avez.

Alors, utilisez un fil toronné pour les câbles d'enceintes, les prises iPod, etc. Sa capacité totale de courant (due à la chaleur) est inférieure, alors ne câblez pas votre maison avec.

Enfin, la séparation des lignes de transport d'électricité consiste à réduire les pertes dues au couplage capacitif. Mais pendant que nous sommes sur le sujet, consultez Hoover Dam. Là, vous pouvez acheter une section de la ligne de transmission d'origine du barrage au réseau. C'est du cuivre, fait de pièces de section transversale radiale imbriquées. Et oui, c'est creux. Pour 60 Hz.

Et voilà.

Pour résumer: essayez de comprendre le concept de densité de courant dans un conducteur.

Le câble toronné est utilisé pour les haut-parleurs car il est plus flexible.Le câble solide est utilisé pour les installations permanentes car il n'est pas flexible et ne bouge donc pas et peut s'effilocher.Un câble solide est utilisé même pour les câbles de données à faible courant dans les bâtiments.Le couplage capacitif n'est pas un problème dans les câbles d'alimentation de la liaison car les brins sep sont sur la même phase et au même potentiel.Enfin les conducteurs creux au niveau du barrage aspirateur sont probablement destinés à permettre le refroidissement plutôt qu'à fournir une 2ème surface pour réduire les pertes cutanées.
tparker
2017-02-04 01:33:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dans le cas du courant alternatif, la densité de courant diminue de façon exponentielle avec la distance de la surface extérieure du fil («effet peau»), comme l'explique Martin Beckett. Cela peut être montré analytiquement à partir de l'approximation quasi-statique des équations de Maxwell, comme cela est fait dans le chapitre 5 de Jackson.

Le cas du courant continu est plus intéressant. Tout d'abord, vous devez spécifier le champ électrique externe $ {\ bf E} _0 $ qui "pousse" le courant. Ceci est généralement considéré comme uniforme et parallèle au fil. Les courants traversant le fil ont tendance à s'attirer les uns les autres et donc à se regrouper (ce que l'on appelle «l'effet de pincement»). L'effet de pincement DC est décrit dans http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305, http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119 /1.14075 et http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271. Il s'avère que les équations de Maxwell ne sont pas suffisantes pour déterminer uniquement la distribution de densité de courant à travers la section transversale du fil; vous devez également spécifier un modèle microscopique pour les porteurs de charge.

À un extrême, vous pouvez traiter les porteurs de charge positifs et négatifs comme étant complètement mobiles et avec des rapports charge / masse égaux. Ceci est une bonne description de la conduction du courant à travers les plasmas, et les pincements de plasma peuvent être assez forts pour écraser le métal.

À l'autre extrême, vous pouvez traiter les charges positives comme complètement stationnaires dans le cadre du laboratoire, à densité fixe, et «immunisées» aux champs électromagnétiques, le courant étant entièrement dû au mouvement des porteurs de charges négatives mobiles.Il s'agit d'un modèle plus réaliste pour un fil métallique, car les forces d'échange interatomique et de Fermi entre les atomes de cuivre sont beaucoup, beaucoup plus fortes que celles induites par les champs appliqués et les courants d'électrons typiques.Il s'avère que dans le cadre du laboratoire, la densité de charge totale linéaire du fil doit être nulle à l'équilibre (sinon il échangerait des électrons avec les sources fixes et descendrait au niveau de la batterie jusqu'à ce qu'elle soit neutralisée), mais dans leimage de repos des électrons en mouvement, la densité de charge du volume en vrac doit être nulle (sinon les électrons subiraient une force électrique radiale les attirant vers ou loin de l'axe du fil).

En combinant ces exigences, vous obtenez l'image suivante: définissez $ R $ comme étant le rayon du fil, $ \ rho_0 $ comme la densité des ions positifs dans le cadre du laboratoire (dans lequel ils sont au repos), $ \ beta = v / c $, où $ v $ est la vitesse de dérive de l'électron comme vu dans le cadre du laboratoire, et $ \ gamma = 1 / \ sqrt {1- \ beta ^ 2} $. Dans le cadre du laboratoire, la densité de charge volumique positive en vrac est $ \ rho_0 $ et la densité de charge volumique négative en vrac est $ - \ gamma ^ 2 \ rho_0 $, qui est plus grande en magnitude. Ainsi, la densité de charge volumique nette globale $ (1 - \ gamma ^ 2) \ rho_0 = - \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ est négative, et il existe un champ électrique radialement intérieur dont la magnitude augmente linéairement avec le rayon. (La génération interne de ce champ électrique radial est parfois appelée «effet Hall auto-induit».) Le champ électrique équilibre l'attraction radialement vers l'intérieur entre les électrons due au flux de courant. Il y a une densité de charge de surface positive compensatrice $ \ sigma = (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 2 \ rho_0 $ autour de la surface du fil qui équilibre la charge de volume en vrac négative, de sorte que le champ électrique radial disparaît à l'extérieur le fil. Cette charge de surface est au repos dans le cadre du laboratoire, donc elle ne contribue pas au courant.

Dans le cadre des électrons, il n'y a pas de densité de charge volumique apparente ni de champ électrique radial à l'intérieur du fil. (Il y a un champ magnétique du mouvement des ions positifs, mais les électrons ne le sentent pas puisqu'ils sont au repos dans ce cadre.) La charge de surface dans ce cadre est $ \ sigma '= (R / 2) \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $, et la densité linéaire totale dans cette image est $ \ lambda '= 2 \ pi R \ sigma' = \ pi R ^ 2 \ beta ^ 2 \ gamma ^ 3 \ rho_0 $. Dans ce cadre, il y a un champ électrique radial à l'extérieur du fil, qui n'affecte pas les électons, mais attire ou repousse les particules chargées à l'extérieur du fil.

Mais dans un fil de cuivre avec des courants typiques, les électrons sont extrêmement non relativistes ($ \ beta \ ll 1 $), donc la charge globale négative nette et la charge de surface positive sont extrêmement minuscules.

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

À la fois à l'intérieur (en vrac) et en surface, en fonction de la tension et des fréquences de la source.Une charge de surface est toujours requise sur un fil conducteur, afin d'établir un flux d'énergie sur le fil.Il existe deux types de densité de courant $ \ boldsymbol J $: $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J = 0 $ ou $ \ operatorname {div} \ boldsymbol J \ lessgtr 0 $, selon la dynamique de charge de surface: $ \ operatorname{div} \ boldsymbol J + \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} = 0 $.

Dans la plupart des systèmes, $ \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t} $ est si petit que le courant conduit est exempt de divergence (courant de dérive typique dans les fils).Il existe cependant des systèmes exceptionnels, tels que tout le courant est utilisé pour alterner le signe de charge de surface sur le fil, alors le courant est essentiellement un courant de surface.En principe, un tel système pourrait transporter de l'énergie.Merci d'avoir partagé la bonne question et d'avoir réfléchi.

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

La réponse courte est la surface. Être dans une voiture pendant un coup de foudre ou une chute de ligne à haute tension vous tuerait. Pensez également aux vidéos de Tesla où quelqu'un porte une armure et ne meurt pas des arcs d'électricité le frappant à la tête; la différence de potentiel entre sa tête et ses pieds, bien que pour un instant seulement, suffit à le tuer autrement.

Cela ne répond pas vraiment à la question.
Vous parlez du comportement d'une [cage de Faraday] (http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage), qui n'est pas la même chose qu'un fil porteur de courant.
user63536
2014-11-04 16:06:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Je vais essayer d'être bref et doux; Le fil toronné est capable de fournir un ampérage élevé sans surchauffe car les torons divisent la charge..I.E. câbles de batterie sur votre voiture. le fil toronné est supérieur au solide mais trop cher pour les longues distances, donc le fil solide est utilisé pour les longues distances, comme pour votre maison (facile à serpenter ou à plier), ligne d'alimentation électrique solide mais flexible. Oui il mabe vrai que sur un conducteur solide il y aura moins de résistance au centre, ce serait nomimnal. Prenez vos appareils électroménagers par exemple, 120v est fourni à votre maison sous forme de longueur d'onde (maintient la tension constante & aide à empêcher la ligne de surchauffer) Maintenant, examinez tout ce que vous branchez au mur, s'il a un moteur électrique, il fonctionne généralement A / C ah ! mais tout le reste fonctionne sur DC. la plupart des appareils transforment le climatiseur en courant continu car le courant continu peut gérer de courtes distances avec une intensité élevée (ampérage, courant, résistance ou charge) Être un petit fil solide technique transportant le climatiseur sous forme d'onde signifie qu'il y a un espace entre les ondes où l'électricité est ne coule pas, ce qui aide à la livraison et au refroidissement, mais vous auriez besoin d'une lunette pour l'observer ...... BONNE CHANCE RAD3

Cela ne répond pas à la question du PO de savoir si le flux de courant est réparti uniformément sur la section transversale d'un fil.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
Loading...