電荷只在導線表面流動,為何不把導線做成空心的?比如銅管套鋁管?

重名好多


我是電子及工控技術,我來回答這個問題。我認為要回答上述問題要份情況回答,不能一概而論。

電流的形成與電流密度

電流的形成是由於電荷的定向移動,電荷之所以能夠移動是由於在電場力的作用下才移動的,況且電荷的移動速度並不快每秒只有幾釐米到幾米不等。我們之所以認為 電流的速度可達到光速那是由於電場的速度快可以達到如此之快的速度,比如在通信領域用來作為載波的電磁波就是由於電場的“參與”可達到光的速度。

我們在學直流電時接觸過一個“電流密度”這樣的一個概念,它的表達意思是在單位時間內通過某一單位面積的電量值的大小,因此電流密度是描述電流強弱和流動方向的物理量。如果由某種原因使電荷都聚集在導線表面的話那麼導線的電流密度就大,導線中間部分的電流密度就小,我們稱為這種現象叫作“趨膚效應”。這種現象只有在高頻電流中才會出現,對於直流電或者頻率比較低的交流電則導線的電流密度是均勻的並不存在“趨膚效應”。

導線型材

對於直流電來說,用導線傳輸電能時一般使用實心導線,在交流高壓輸電時所採用的線路大都採用多根較細導線輸電能,在鋁絞線中心用鋼線這一方面是基於趨膚效應考慮,另一方面也是考慮到增強其機械強度。

在高頻電路中由於要考慮到趨膚效應的影響就會採用空心形狀的導體,比如有的採用了空心銅排導線、我還清晰的接的我們小時候所用接收電視信號的天線就是用空心的鋁導體。

以上就是我對這個問題的回答,歡迎朋友們參與討論。敬請關注電子及工控技術,歡迎大家轉載,點贊!


電子及工控技術


首先,確實有空心的導體。輸變電工程中的管形母線,簡稱管母。主要是用於高壓分流所用。使用於110千伏,220千伏和500千伏等特高壓工程。可見,電壓等級很高,輸送的功率很大。

管母的斷面

管母應用於變電站

第二,在輸送功率時候,導體中有電流流過。有了電流,導體由於有電阻存在,便會發熱,所以導線發熱成為一個很大的問題。

普通居民用電電壓380V和220V,電流比較小,一般也就40A,所以只需要十幾個平方毫米的電線就足夠。若採用空心的導線,一是加工困難,第二,強度不夠,佈線過程中有機械張拉,第三,空心的導線,有限面積過小,容易發熱。

各種居民使用的低壓導線

第三,電荷在表面的集膚效應使用

在輸電線路工程中,架空線路就是利用集膚效應。在高壓下,由於輸送的功率一定,比如50MVA的容量,110kV的電壓,電流只有幾百安培。所以,可以使用小截面的架空導線。

這就是鋼芯鋁絞線,中間狠粗的是鋼芯,並不用來傳輸電流,外面一圈的絞線是鋁材,強度較低,但是電導率高,中間鋼芯用於提高導線的張力,抵抗導線應力。

鋁絞線利用集膚效應

當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分佈不均勻,電流集中在導體的“皮膚”部分,也就是說電流集中在導體外表的薄層,越靠近導體表面,電流密度越大,導體內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加,使它的損耗功率也增加。

藍色的電荷集中在導體表面

集膚效應,就是導體截面上的電荷密度是不均勻的。

所以,鋼芯鋁絞線,實質也是一種空心的導體,只是他的空心用鋼芯填充,用於受卡而已。


海客談海


電荷只在導線表面流動,為何不把導線做成空心的?比如銅管套鋁管?


這個問題很有意思,但是要理解清楚必須要有良好的電工基礎。在回答這個問題之前,我們先要了解一個概念----趨膚效應。

什麼是趨膚效應?

我們都知道電流大小是指在單位時間內通過單位面積的電荷量多少。如果由於某種原因導致電流在導體中分佈不平均,電流大量聚集在導電的表面上,越往導體中心電流越小。把這種現象稱為“趨膚效應”,也有人叫“集膚效應”。

趨膚效應產生原因?

趨膚效應產生的根本原因是因為電磁感應。

如上圖所示,這是一根導線,導線中的小圓表示電流。當導線通電以後,電流會順著這根導線流動,我們把電流路徑稱為“電流線”。為了便於理解,我暫時用兩根電流線來分析說明。

如上圖所示:假設導線電流是從左向右流動,那麼電流線I1和I2的方向都從左向右。那麼電流線I1產生的磁場方向是怎麼樣呢?

根據右手螺旋定則,電流線I1上方的磁場方向為垂直紙面向外(用圓點表示),下方的磁場方向為垂直紙面向裡(用叉表示)。

由於交流電流是一直變化的,所以它產生的磁場也是一直變化的。根據電磁感應,電流線I1產生的磁場會在I2導體上產生感應電動勢,這個感應電動勢會阻礙I2的電流變化。

越往導體中心電流線越密,它受到的磁場也就越強,所產生的感應電動勢也就越大,電流也就越小。

當電流變化越快、頻率越高時,所產生的感應電動勢也越多,所以趨膚效應在高頻電路中很明顯。如果電流一直不變,那麼就沒有感應電動勢的產生,也就不會有趨膚效應,所以趨膚效應只存在於交流電路。

趨膚效應有哪些應用呢?

1. 最常見的典範應用就是室外電視天線,室外電視天線接收的無線電波頻率很高,一般達幾百MHZ。這麼高頻率的電流信號,它的趨膚效應就非常明顯。為了降低材料成本、減輕重量、滿足趨膚效應,所以電視室外天線一般都是採用空心鋁管制作而成。

2. 我們常用的電力電纜線有單股線和多股線,但是信號傳輸電纜線都是採用多股,這是因為信號電流頻率一般都比較高,趨膚效應明顯,為了增加電線表面積、提高利電線用率,所以信號傳輸電纜線都是採用多股線。

注意:趨膚效應並不是說導體中心沒有電流。只是由於趨膚效應的作用,導體表面電流最多,越往導體中心電流越小。

一般來說在交流50HZ的頻率下,趨膚效應的穿透深度大約為6mm。當導線直徑大於12mm時,導體中心的電流幾乎為零。所以你可以觀察一下,低壓電櫃裡的矩形母線排(銅排)厚度都不超過10mm。


以上就是我的原創回答,如果發現抄襲我的文章,必定追究!

如果還有其他不足,歡迎大家補充!

我是電工學院,專門負責電工培訓、考證;如果你對電工感興趣,可以關注我!如果覺得不錯,記得點贊、評論、轉發!感謝!


電工學院


電流集中在導體表面的現象是趨膚效應

趨膚效應表現在交流電或者交變磁場的場合,當有交流電或者交變磁場時導體內部的電流分佈是不均勻的,電流會集中分佈在導體外面的薄層;越靠近導體內部,電流密度越小。

導線為什麼不做成空心?

導線如果做成像銅管這樣的空心,利用率其它是很低的,強度也會大大降低,而且大部分應用不會是高頻的場合。

細心的朋友可能會發現,有些導線是由多股導線絞合在一起的。多股線更加柔軟,還可以通過更多的電流。


高頻應用場合用什麼導線?

直流(DC)通過導線時,電流密度是可以保證均勻的,在電流變化率很小的情況下,電流的分佈都可以認為是均勻的,在工作在低頻場合的細導線,我們也認為這個結論是正確的。但在高頻應用的場合就不一樣了,電流的變化特別明顯,高頻應用場合的趨膚效應表現得非常明顯,所以像一些變壓器、高頻中週會使用多股漆包線,這些多股漆包線由很多股小於0.1mm的漆包線絞合在一起組成,多股線絞合可以大大的提高導體的表面積。

歡迎關注@電子產品設計方案,一起享受分享與學習的樂趣!關注我,成為朋友,一起交流一起學習

  • 記得點贊和評論哦!非常感謝!

電子產品設計方案


不是所有的電流都只沿表面流動!

真流電流與工頻交流電都是在整個導線的截面上流動的。也就是整根導線都參與導流。

當電源的頻率升高後,比如達幾十上百kHz後電流就開始沿表面流動了。這就是高頻傳輸理論中論及的趨膚效應!

所以在長波,中波的無線電調諧電路中。為了提高迴路的品質因數(Q值),只得採用若干根細導線(一般是0·03一0·07的多股漆包線)絞合在一起來製作這類線圈(如中波收音機的磁性天線)。

當頻率升到MHz後,由於漆包線上的漆皮又增大了高頻損耗和分佈電容。所以在短波只得應用較粗的單根鍍銀導線來製作這類線圈(如收音機的短波線圈)。

頻率或功率進一步提高後,上述的各類導線都無法應用了。就要採用你說到的銅管做線圈和導流電線了。比如超短波調頻波段和電視發射機中,都是用空心管縲施線圈。而且都要披銀處理!

所以你提到為什麼不用銅管,實際是一直用著的。但我們用的低頻交流電(市電)是無趨膚效應的,無需使用銅管而已。

下面舉個高頻用線的實用例子,供無線電愛好者參考。

如我們都愛玩的礦石收音機。如調諧線圈改用多股0.03×28絲包漆皮線來製作,接收的靈敏度,選擇性會有很大提高。因為這樣改進的線圈品值因數Q值會從50提高到150以上。

由於絲包漆皮線中的高頻漆工藝質量現在有很大的改進,可以採用更多股如300一500的線來製作這個線圈,品值因數會提高到3百以上。那接收效果還會有所提高(特別是接收遠地信號的能力)。但也不能肓目的,不加節制的加多股數了。因為再高級的多股漆包線,製成這類線圈,也是會增大分佈電容而導至品質因數的下降,反而得不償失。

能改進的途徑就是採用冰箱中用的銅管最好再鍍銀,來間繞這調諧線圈。但成本與體積會很高很大。

這個線圈再配上披銀真空可變電容器組成的礦石收音機。配上典型的中波接收天線,能收到幾百公里外的中波電臺。但這種礦石收音機要求極高的製作工藝與花費金錢。

但生活好了,錢對很多人說不是什麼太大的問題。特別是家中有礦的,玩這種礦石收音機更沒問題(大笑)!到是製作工藝,一般無線電愛好者是無法期及的!


乾杯安德烈


就是啊,很多都是這麼幹的!比如我們看見室外高壓線,西電東送的大通道,都是。為了遠距離傳送強大的電流,儘量減少傳送過程中的線損,電力線外層是鋁線麻花一樣纏著表面,裡面是高強度鋼絲芯,這樣既安全不會拉斷,而且節省成本,不影響傳輸。還有很多這樣的例子,銅線外表鍍銀或金,儘量減少電損,因為金的電阻最少,銀次之,都比銅優秀。計算機,微電子技術裡廣泛應用,以儘量降低信號的衰減,降低設備發熱。


跟我學栽一盆桃


樓主的問題涉及兩個方面,一是電流的集膚效應,二是導線是否空心的問題。下面就分別回答。

1.電流的集膚效應

鋁絞線利用集膚效應。當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分佈不均勻,電流集中在導體的“皮膚”部分,也就是說電流集中在導體外表的薄層,越靠近導體表面,電流密度越大,導體內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加,使它的損耗功率也增加。

所以樓主說電荷只在導線表面流動的表述是不嚴謹的。

2.導線為什麼不做成空心


對於空心的導體。主要用於輸變電工程中,叫做管母。主要是用於高壓分流所用。使用於110千伏,220千伏和500千伏等特高壓工程。可見,電壓等級很高,輸送的功率很大。

對於普通居民用電,電壓380V和220V,電流比較小,一般也就40A,所以只需要十幾個平方毫米的電線就足夠。若採用空心的導線,如果我們導線如果做成像銅管這樣的空心,利用率其它是很低的,強度也會大大降低。日常生活中,大家會發現有些導線是由多股導線絞合在一起的。多股線更加柔軟,還可以通過更多的電流。

所以基於經濟性,電流大小,加工程度等因素不是所有導體都要做成空心了。

不知這樣的回答,能否解答樓主的疑惑。


靈感王


這題目起的有很大的問題,誰說電流只在導線的表面流動?這是有前提條件的。

電流大致分直流電、直流脈衝電與交變電流,直流電是全截面導線裡通過電流,這就是長途輸電線用了高壓直流的緣故,交變電流在導線中存在集膚效應,頻率越高集膚效應越明顯,這就是數字電視的傳輸線使用了鐵心表面鍍銅的工藝,或者在其他運用中使用多股細表面絕緣銅線合股在同一直徑中增大表面面積的方式提高導線的的導電能力。

至於為何不用空心導線,空心導線的工藝成本問題,使用中空心導線的形變問題,還有導線的強度問題,再者空心導線只適合特定頻率等等,都不適合用空心導線做實際作用,用其他工藝來儘可能的減少高頻集膚效應導致導線利用率的問題,更可行更實際。


鎮江桃花人家


交流電傳輸導線確實做成了空心,但不是你說的那種空心。

首先,交流動力線普遍採用多股線,從而有效增加了表面積,所以你查《電工手冊》就會發現多股導線通電能力超過單芯導線。

如果電流繼續增加,導線的中心乾脆就是鋼纜或尼龍攬,用來增加導線的機械強度,這個地方因為是導線的中間部分沒有電,所以根本就沒有考慮通電的問題。

如果是硬線,有類似銅管那樣純空心的導線,裡面通空氣或者水用來冷卻導線的溫度,進一步增加通過電流能力,甚至還有通液氮的,比如超導體導線。


觀上靈雲


只有交流電才會在導線表面流動,而且,頻率越高,集膚效應越明顯。所以,直流電是無需考慮導線的形狀的,但是高頻電路中,如開關電源的高頻變壓器,就是採用多股漆包線絞合作為大電流繞組,以降低內阻。以前裝收音機的高頻天線接收線圈,也是用多股漆包線,以降低內阻,提高接收靈敏度。有些特殊的高頻應用,如高頻加熱爐的加熱線圈,就是用銅管制作。


分享到:


相關文章: