Электрический ток течет по поверхности провода или внутри?

Это зависит от частоты. Электричество постоянного тока проходит через объемное поперечное сечение провода.

Изменяющийся электрический ток (AC) испытывает скин-эффект, когда электричество легче течет в поверхностных слоях. Чем выше частота, тем тоньше поверхностный слой, пригодный для использования в проводе. При обычном бытовом переменном токе (50/60 Гц) толщина скин-слоя составляет около 8-10 мм, но на микроволновых частотах глубина металла, по которому течет ток, примерно равна длине волны видимого света.

редактировать: Интересный момент от Навина - отдельные нити должны быть изолированы друг от друга, чтобы скин-эффект применялся к каждой по отдельности. Это причина того, что в этом вопросе пары проводов разнесены далеко друг от друга. Что представляют собой все линии на двухконтурной опоре?

Используется многожильный провод, потому что он легче сгибается, но имеет практически такие же проводящие свойства.

Ток течет по всему проводу. Это легко проверить, измерив сопротивление круглых проводов — сопротивление будет падать квадратично с радиусом, указывая на то, что имеет значение площадь поперечного сечения.

Поправка : этот ответ верен только для постоянного тока - см. ниже ответ Беккета для переменного тока. Изменяющиеся магнитные поля вызывают вихревые токи, которые вызывают скин-эффект, когда ток имеет тенденцию проходить только в пределах «глубины скин-слоя» провода, что не пропорционально радиусу.

Это немного не связано с первоначальным вопросом, но стоит упомянуть, что это может возникнуть как распространенное заблуждение из-за того, что на поверхности проводника накапливается статическое электричество. Хотя это верно, верно и то, что ток имеет тенденцию течь через большую часть проводника, а плотность тока измеряется в единицах$\text{A}/\text{m}^2$.

Кроме того, в ответе Мартина хорошо сказано: скин-эффект актуален для переменного тока, но если вы не имеете дело с проводом толщиной в дюйм, это не будет иметь большого значения. На более высоких частотах многожильный провод может немного помочь, но он все равно будет восприимчивым. Существуют специальные способы скрутки провода (например, литцендратный провод , чтобы смягчить / свести на нет эффект, но это не понадобится для сетевого электричества.

В случае переменного тока плотность тока экспоненциально падает с расстоянием от внешней поверхности провода («скин-эффект»), как объяснил Мартин Беккет. Это можно показать аналитически из квазистатического приближения к уравнениям Максвелла, как это сделано в главе 5 Джексона.

Случай постоянного тока более интересен. Сначала нужно задать внешнее электрическое поле${\bf E}_0$который «толкает» ток. Обычно это считается равномерным и параллельным проволоке. Токи в проводе имеют тенденцию притягиваться друг к другу и, следовательно, объединяться (известный как «эффект зажима»). Пинч-эффект постоянного тока обсуждается в http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 и http://aapt. scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Оказывается, уравнений Максвелла недостаточно для однозначного определения распределения плотности тока по сечению провода; вам также необходимо указать микроскопическую модель для носителей заряда.

С одной стороны, вы можете рассматривать как положительные, так и отрицательные носители заряда как полностью подвижные и с одинаковым отношением заряда к массе. Это хорошее описание проводимости тока через плазму, а плазменные зажимы могут быть достаточно сильными, чтобы раздавить металл.

С другой стороны, вы можете рассматривать положительные заряды как полностью стационарные в лабораторной системе координат, с фиксированной плотностью и «невосприимчивые» к электромагнитным полям, с током, полностью обусловленным движением подвижных носителей отрицательного заряда. Это более реалистичная модель для металлической проволоки, поскольку межатомные силы и обменные силы Ферми между атомами меди намного, намного сильнее, чем те, которые индуцируются типичными приложенными полями и электронными токами. Получается, что в лабораторной системе полная линейная плотность заряда провода должна быть равна нулю в равновесии (иначе он будет обмениваться электронами с неподвижными источниками и тонуть в батарее, пока не нейтрализуется), а в системе покоя движущихся электронов основной объемплотность заряда должна быть равна нулю (иначе электроны испытали бы радиальную электрическую силу, притягивающую их к оси провода или от нее).

Объединив эти требования, вы получите следующую картину:$R$быть радиусом провода,$\rho_0$быть плотностью положительных ионов в лабораторной системе отсчета (в которой они находятся в состоянии покоя),$\beta = v/c$, куда$v$- скорость дрейфа электрона, как видно в лабораторной системе координат, и$\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2}$. В лабораторной системе отсчета объемная положительная плотность заряда равна$\rho_0$а объемная отрицательная плотность заряда равна$-\gamma^2 \rho_0$, что больше по величине. Таким образом, объемная чистая объемная плотность заряда$(1 - \gamma^2)\rho_0 = -\beta^2 \gamma^2 \rho_0$отрицательно, и существует радиально направленное внутрь электрическое поле, величина которого увеличивается линейно с радиусом. (Внутренняя генерация этого радиального электрического поля иногда называется «самоиндуцированным эффектом Холла».) Электрическое поле уравновешивает радиально направленное внутрь притяжение между электронами из-за протекания тока. Существует компенсирующая положительная поверхностная плотность заряда.$\sigma = (R / 2) \beta^2 \gamma^2 \rho_0$вокруг поверхности провода, который уравновешивает отрицательный объемный заряд, поэтому радиальное электрическое поле исчезает вне провода. Этот поверхностный заряд находится в состоянии покоя в лабораторной системе координат, поэтому он не влияет на ток.

В системе электронов нет объемной объемной плотности заряда или радиального электрического поля внутри проволоки. (Существует магнитное поле от движения положительных ионов, но электроны его не чувствуют, так как в этой системе покоятся.) Поверхностный заряд в этой системе равен$\sigma' = (R / 2) \beta^2 \gamma^3 \rho_0$, а полная линейная плотность в этой системе координат равна$\lambda' = 2 \pi R \sigma' = \pi R^2 \beta^2 \gamma^3 \rho_0$. В этой системе отсчета снаружи провода существует радиальное электрическое поле , которое не действует на электроны, но притягивает или отталкивает заряженные частицы снаружи провода.

Но в медной проволоке с типичными токами электроны крайне нерелятивистские ($\beta \ll 1$), поэтому суммарный отрицательный объемный заряд и положительный поверхностный заряд чрезвычайно малы.

Как уже упоминалось, проводимость как теоретически, так и эмпирически пропорциональна площади поперечного сечения, а не окружности. Интуитивное объяснение (для постоянного тока или низкочастотного переменного тока) следует из сил между движущимися электронами, а не статическими. Думайте об этом как о законе Ампера, уравнениях Максвелла или релятивистской природе электромагнетизма — в любом случае электроны, движущиеся в параллельных направлениях, притягиваются. Таким образом, фактическое распределение тока в поперечном сечении будет результатом суммарных сил (как притяжения, так и отталкивания) электронов, движущихся по проводу. Я не собирался вычислять этот дистрибутив, да и беглым поиском не нашел. Могу проверить Джей Ди Джексона - у меня больше нет моей копии. Тем не мение,

Дополнение: Для AC см. http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf

Я бы предпочел просто прокомментировать, но, поскольку я получил здесь учетную запись только из-за этого, я попытаюсь ответить, но не могу не попытаться перенаправить сюда некоторые комментарии.

Простой ответ: Да, в идеальном случае. Если вы построите модель, вы увидите, что эта плотность тока уменьшается до нуля на центральной линии проводника, где вектор E равен нулю. Это требует некоторой работы помимо формулировки уравнений Максвелла.

Реальность, конечно, не так обрезана. Но градиент плотности тока все равно очень значителен. Хотите знать, почему Николай Тесла смог продемонстрировать это явление, используя собственное тело? Ну, вот оно у вас.

Таким образом, используйте многожильный провод для кабелей громкоговорителей, разъемов для iPod и т. д. Его общая допустимая нагрузка по току (из-за нагрева) ниже, поэтому не используйте его для проводки в доме.

Наконец, разделение линий электропередачи заключается в снижении потерь из-за емкостной связи. Но пока мы говорим об этом, загляните на плотину Гувера. Там вы можете купить участок оригинальной линии электропередачи от плотины до сети. Это медь, состоящая из соединенных между собой частей радиального сечения. И да, это пустота. Для 60 Гц.

Ну вот.

Комментарий: Пожалуйста, попытайтесь понять понятие плотности тока в проводнике.

Как внутри (в объеме), так и на поверхности, в зависимости от напряжения и частоты источника. На проводящем проводе всегда требуется поверхностный заряд, чтобы установить поток энергии по проводу. Существует два типа плотности тока$\boldsymbol J$:$\operatorname{div}\boldsymbol J = 0$или же$\operatorname{div} \boldsymbol J \lessgtr 0$, в зависимости от динамики поверхностного заряда:$\operatorname{div} \boldsymbol J + \frac{\partial\rho}{\partial t} = 0$.

В большинстве систем$\frac{\partial\rho}{\partial t}$настолько мал, что проводимый ток не расходится (типичный дрейфовый ток в проводах). Однако существуют исключительные системы, в которых весь ток используется для изменения знака поверхностного заряда на проводе, тогда ток в основном является поверхностным током. В принципе, такая система может транспортировать энергию. Спасибо, что поделились хорошим вопросом и нестандартным мышлением.

Короткий ответ — поверхность. Нахождение в автомобиле во время удара молнии или падения напряжения в линии может убить вас. Также подумайте о видеороликах Теслы, где кто-то носит доспехи и не умирает от электрических дуг, ударяющих его по голове; разница в потенциале от его головы до ног, хотя и на мгновение, достаточна, чтобы убить его в противном случае.

Я постараюсь быть кратким и приятным; Многожильный провод способен обеспечивать высокую силу тока без перегрева, потому что жилы разделяют нагрузку. Например, аккумуляторные кабели вашего автомобиля. многожильный провод лучше, чем сплошной, но слишком дорог для длинных участков, поэтому сплошной провод используется для длинных участков, например, для вашего дома (легко изгибается или изгибается) прочная, но гибкая линия электроснабжения компании. Да, может быть и правда, что на сплошном проводнике сопротивление в центре будет меньше, оно будет номинальное. Возьмем, к примеру, вашу бытовую технику, 120 В подается в ваш дом в виде длины волны (поддерживает постоянное напряжение и помогает предотвратить перегрев линии). Теперь проверьте все, что вы подключаете к стене, если у него есть электрический двигатель, он обычно работает от переменного тока. ! но все остальное работает на DC. большинство устройств преобразуют переменный ток в постоянный, потому что постоянный ток может выдерживать короткие пробеги с высоким