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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