电荷只在导线表面流动,为何不把导线做成空心的?比如铜管套铝管?

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首先,确实有空心的导体。输变电工程中的管形母线,简称管母。主要是用于高压分流所用。使用于110千伏,220千伏和500千伏等特高压工程。可见,电压等级很高,输送的功率很大。

管母的断面

管母应用于变电站

第二,在输送功率时候,导体中有电流流过。有了电流,导体由于有电阻存在,便会发热,所以导线发热成为一个很大的问题。

普通居民用电电压380V和220V,电流比较小,一般也就40A,所以只需要十几个平方毫米的电线就足够。若采用空心的导线,一是加工困难,第二,强度不够,布线过程中有机械张拉,第三,空心的导线,有限面积过小,容易发热。

各种居民使用的低压导线

第三,电荷在表面的集肤效应使用

在输电线路工程中,架空线路就是利用集肤效应。在高压下,由于输送的功率一定,比如50MVA的容量,110kV的电压,电流只有几百安培。所以,可以使用小截面的架空导线。

这就是钢芯铝绞线,中间狠粗的是钢芯,并不用来传输电流,外面一圈的绞线是铝材,强度较低,但是电导率高,中间钢芯用于提高导线的张力,抵抗导线应力。

铝绞线利用集肤效应

当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。

蓝色的电荷集中在导体表面

集肤效应,就是导体截面上的电荷密度是不均匀的。

所以,钢芯铝绞线,实质也是一种空心的导体,只是他的空心用钢芯填充,用于受卡而已。


海客谈海


电荷只在导线表面流动,为何不把导线做成空心的?比如铜管套铝管?


这个问题很有意思,但是要理解清楚必须要有良好的电工基础。在回答这个问题之前,我们先要了解一个概念----趋肤效应。

什么是趋肤效应?

我们都知道电流大小是指在单位时间内通过单位面积的电荷量多少。如果由于某种原因导致电流在导体中分布不平均,电流大量聚集在导电的表面上,越往导体中心电流越小。把这种现象称为“趋肤效应”,也有人叫“集肤效应”。

趋肤效应产生原因?

趋肤效应产生的根本原因是因为电磁感应。

如上图所示,这是一根导线,导线中的小圆表示电流。当导线通电以后,电流会顺着这根导线流动,我们把电流路径称为“电流线”。为了便于理解,我暂时用两根电流线来分析说明。

如上图所示:假设导线电流是从左向右流动,那么电流线I1和I2的方向都从左向右。那么电流线I1产生的磁场方向是怎么样呢?

根据右手螺旋定则,电流线I1上方的磁场方向为垂直纸面向外(用圆点表示),下方的磁场方向为垂直纸面向里(用叉表示)。

由于交流电流是一直变化的,所以它产生的磁场也是一直变化的。根据电磁感应,电流线I1产生的磁场会在I2导体上产生感应电动势,这个感应电动势会阻碍I2的电流变化。

越往导体中心电流线越密,它受到的磁场也就越强,所产生的感应电动势也就越大,电流也就越小。

当电流变化越快、频率越高时,所产生的感应电动势也越多,所以趋肤效应在高频电路中很明显。如果电流一直不变,那么就没有感应电动势的产生,也就不会有趋肤效应,所以趋肤效应只存在于交流电路。

趋肤效应有哪些应用呢?

1. 最常见的典范应用就是室外电视天线,室外电视天线接收的无线电波频率很高,一般达几百MHZ。这么高频率的电流信号,它的趋肤效应就非常明显。为了降低材料成本、减轻重量、满足趋肤效应,所以电视室外天线一般都是采用空心铝管制作而成。

2. 我们常用的电力电缆线有单股线和多股线,但是信号传输电缆线都是采用多股,这是因为信号电流频率一般都比较高,趋肤效应明显,为了增加电线表面积、提高利电线用率,所以信号传输电缆线都是采用多股线。

注意:趋肤效应并不是说导体中心没有电流。只是由于趋肤效应的作用,导体表面电流最多,越往导体中心电流越小。

一般来说在交流50HZ的频率下,趋肤效应的穿透深度大约为6mm。当导线直径大于12mm时,导体中心的电流几乎为零。所以你可以观察一下,低压电柜里的矩形母线排(铜排)厚度都不超过10mm。


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我是电子及工控技术,我来回答这个问题。我认为要回答上述问题要份情况回答,不能一概而论。

电流的形成与电流密度

电流的形成是由于电荷的定向移动,电荷之所以能够移动是由于在电场力的作用下才移动的,况且电荷的移动速度并不快每秒只有几厘米到几米不等。我们之所以认为 电流的速度可达到光速那是由于电场的速度快可以达到如此之快的速度,比如在通信领域用来作为载波的电磁波就是由于电场的“参与”可达到光的速度。

我们在学直流电时接触过一个“电流密度”这样的一个概念,它的表达意思是在单位时间内通过某一单位面积的电量值的大小,因此电流密度是描述电流强弱和流动方向的物理量。如果由某种原因使电荷都聚集在导线表面的话那么导线的电流密度就大,导线中间部分的电流密度就小,我们称为这种现象叫作“趋肤效应”。这种现象只有在高频电流中才会出现,对于直流电或者频率比较低的交流电则导线的电流密度是均匀的并不存在“趋肤效应”。

导线型材

对于直流电来说,用导线传输电能时一般使用实心导线,在交流高压输电时所采用的线路大都采用多根较细导线输电能,在铝绞线中心用钢线这一方面是基于趋肤效应考虑,另一方面也是考虑到增强其机械强度。

在高频电路中由于要考虑到趋肤效应的影响就会采用空心形状的导体,比如有的采用了空心铜排导线、我还清晰的接的我们小时候所用接收电视信号的天线就是用空心的铝导体。

以上就是我对这个问题的回答,欢迎朋友们参与讨论。敬请关注电子及工控技术,欢迎大家转载,点赞!


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电流集中在导体表面的现象是趋肤效应

趋肤效应表现在交流电或者交变磁场的场合,当有交流电或者交变磁场时导体内部的电流分布是不均匀的,电流会集中分布在导体外面的薄层;越靠近导体内部,电流密度越小。

导线为什么不做成空心?

导线如果做成像铜管这样的空心,利用率其它是很低的,强度也会大大降低,而且大部分应用不会是高频的场合。

细心的朋友可能会发现,有些导线是由多股导线绞合在一起的。多股线更加柔软,还可以通过更多的电流。


高频应用场合用什么导线?

直流(DC)通过导线时,电流密度是可以保证均匀的,在电流变化率很小的情况下,电流的分布都可以认为是均匀的,在工作在低频场合的细导线,我们也认为这个结论是正确的。但在高频应用的场合就不一样了,电流的变化特别明显,高频应用场合的趋肤效应表现得非常明显,所以像一些变压器、高频中周会使用多股漆包线,这些多股漆包线由很多股小于0.1mm的漆包线绞合在一起组成,多股线绞合可以大大的提高导体的表面积。

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不是所有的电流都只沿表面流动!

真流电流与工频交流电都是在整个导线的截面上流动的。也就是整根导线都参与导流。

当电源的频率升高后,比如达几十上百kHz后电流就开始沿表面流动了。这就是高频传输理论中论及的趋肤效应!

所以在长波,中波的无线电调谐电路中。为了提高回路的品质因数(Q值),只得采用若干根细导线(一般是0·03一0·07的多股漆包线)绞合在一起来制作这类线圈(如中波收音机的磁性天线)。

当频率升到MHz后,由于漆包线上的漆皮又增大了高频损耗和分布电容。所以在短波只得应用较粗的单根镀银导线来制作这类线圈(如收音机的短波线圈)。

频率或功率进一步提高后,上述的各类导线都无法应用了。就要采用你说到的铜管做线圈和导流电线了。比如超短波调频波段和电视发射机中,都是用空心管缧施线圈。而且都要披银处理!

所以你提到为什么不用铜管,实际是一直用着的。但我们用的低频交流电(市电)是无趋肤效应的,无需使用铜管而已。

下面举个高频用线的实用例子,供无线电爱好者参考。

如我们都爱玩的矿石收音机。如调谐线圈改用多股0.03×28丝包漆皮线来制作,接收的灵敏度,选择性会有很大提高。因为这样改进的线圈品值因数Q值会从50提高到150以上。

由于丝包漆皮线中的高频漆工艺质量现在有很大的改进,可以采用更多股如300一500的线来制作这个线圈,品值因数会提高到3百以上。那接收效果还会有所提高(特别是接收远地信号的能力)。但也不能肓目的,不加节制的加多股数了。因为再高级的多股漆包线,制成这类线圈,也是会增大分布电容而导至品质因数的下降,反而得不偿失。

能改进的途径就是采用冰箱中用的铜管最好再镀银,来间绕这调谐线圈。但成本与体积会很高很大。

这个线圈再配上披银真空可变电容器组成的矿石收音机。配上典型的中波接收天线,能收到几百公里外的中波电台。但这种矿石收音机要求极高的制作工艺与花费金钱。

但生活好了,钱对很多人说不是什么太大的问题。特别是家中有矿的,玩这种矿石收音机更没问题(大笑)!到是制作工艺,一般无线电爱好者是无法期及的!


干杯安德烈


这题目起的有很大的问题,谁说电流只在导线的表面流动?这是有前提条件的。

电流大致分直流电、直流脉冲电与交变电流,直流电是全截面导线里通过电流,这就是长途输电线用了高压直流的缘故,交变电流在导线中存在集肤效应,频率越高集肤效应越明显,这就是数字电视的传输线使用了铁心表面镀铜的工艺,或者在其他运用中使用多股细表面绝缘铜线合股在同一直径中增大表面面积的方式提高导线的的导电能力。

至于为何不用空心导线,空心导线的工艺成本问题,使用中空心导线的形变问题,还有导线的强度问题,再者空心导线只适合特定频率等等,都不适合用空心导线做实际作用,用其他工艺来尽可能的减少高频集肤效应导致导线利用率的问题,更可行更实际。


镇江桃花人家


并不是“只”在表面流动,你说的是电流的趋肤效应,其实中心也有电流,只是要小很多。现实中,两种金属在电流的作用下,都会有电化学反应,相当于“反”电池,会造成导线腐蚀。


路漫漫158207635


就是啊,很多都是这么干的!比如我们看见室外高压线,西电东送的大通道,都是。为了远距离传送强大的电流,尽量减少传送过程中的线损,电力线外层是铝线麻花一样缠着表面,里面是高强度钢丝芯,这样既安全不会拉断,而且节省成本,不影响传输。还有很多这样的例子,铜线外表镀银或金,尽量减少电损,因为金的电阻最少,银次之,都比铜优秀。计算机,微电子技术里广泛应用,以尽量降低信号的衰减,降低设备发热。


跟我学栽一盆桃


首先,题目有问题,交流电流有趋肤效应,倾向于在导体表面流动,频率越高,趋肤越严重。

其次,一般应用,趋肤并不严重,所以没有必要制作空心导线。

再次,高频导线也不用空心,多股导线表面上漆后拧一起就可以。比空心方便,便宜,效果不差。

最后,空心导线也有,但主要是为了散热效果,如发电机中的中空铜管,高频炉的中空螺旋管,虽然也能对付趋肤效应,但主要是为了散热,因为它们的电流都非常大!


feifeifeifeifeifei


只有交流电才会在导线表面流动,而且,频率越高,集肤效应越明显。所以,直流电是无需考虑导线的形状的,但是高频电路中,如开关电源的高频变压器,就是采用多股漆包线绞合作为大电流绕组,以降低内阻。以前装收音机的高频天线接收线圈,也是用多股漆包线,以降低内阻,提高接收灵敏度。有些特殊的高频应用,如高频加热炉的加热线圈,就是用铜管制作。


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