¿Fluye la electricidad en la superficie de un alambre o en el interior?

Depende de la frecuencia. La electricidad de CC viaja a través de la sección transversal principal del cable.

Una corriente eléctrica cambiante (CA) experimenta el efecto piel donde la electricidad fluye más fácilmente en las capas superficiales. Cuanto mayor sea la frecuencia, más delgada será la capa superficial que se puede utilizar en un cable. Con CA doméstica normal (50/60 Hz), la profundidad de la piel es de aproximadamente 8-10 mm, pero a frecuencias de microondas, la profundidad del metal por el que fluye la corriente es aproximadamente la misma que la longitud de onda de la luz visible.

editar: punto interesante de Navin : las hebras individuales deben estar aisladas entre sí para que el efecto de la piel se aplique a cada una individualmente. Esa es la razón por la que los pares de cables están muy separados en esta pregunta . ¿Cuáles son todas las líneas en una torre de doble circuito?

Se utiliza cable trenzado porque se dobla más fácilmente, pero tiene esencialmente las mismas propiedades conductoras.

La corriente fluye por todo el cable. Esto se prueba fácilmente midiendo la resistencia de los cables redondos: la resistencia caerá cuadráticamente con el radio, lo que indica que lo que importa es el área de la sección transversal.

Enmienda : esta respuesta solo es correcta para corriente continua; consulte la de Beckett a continuación para CA. Los campos magnéticos cambiantes introducen corrientes de Foucault que producen el efecto de piel, donde la corriente tiende a transportarse solo dentro de la "profundidad de la piel" del cable, que no es proporcional al radio.

Esto no tiene nada que ver con la pregunta original, pero vale la pena mencionar que esto puede surgir como un error común debido al hecho de que la electricidad estática se acumula en la superficie de un conductor. Si bien esto es cierto, es correcto que la corriente tiende a fluir a través de la mayor parte de un conductor, y la densidad de corriente se mide en unidades de$\text{A}/\text{m}^2$.

Además, la respuesta de Martin tiene un buen punto, el efecto de la piel es relevante para las corrientes de CA, pero a menos que esté tratando con un cable de una pulgada de grosor, realmente no hará una diferencia. A frecuencias más altas, el cable trenzado podría ayudar un poco, pero aún sería susceptible. Hay formas especiales de trenzar el cable (como el cable litz para mitigar/negar el efecto, pero eso no sería necesario para la red eléctrica.

En el caso de la corriente alterna, la densidad de corriente cae exponencialmente con la distancia desde la superficie exterior del cable (el "efecto piel"), como explica Martin Beckett. Esto se puede demostrar analíticamente a partir de la aproximación cuasiestática a las ecuaciones de Maxwell, como se hace en el capítulo 5 de Jackson.

El caso de la corriente continua es más interesante. Primero, debe especificar el campo eléctrico externo${\bf E}_0$que "empuja" la corriente. Esto generalmente se considera uniforme y paralelo al cable. Las corrientes a través del cable tienden a atraerse entre sí y, por lo tanto, se agrupan (lo que se conoce como "efecto pellizco"). El efecto pinch DC se analiza en http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1974305 , http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 y http://aapt. scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271 . Resulta que las ecuaciones de Maxwell no son suficientes para determinar de manera única la distribución de densidad de corriente a través de la sección transversal del cable; también debe especificar un modelo microscópico para los portadores de carga.

En un extremo, puede tratar a los portadores de carga positiva y negativa como completamente móviles y con proporciones iguales de carga a masa. Esta es una buena descripción de la conducción de corriente a través de plasmas, y los pinchazos de plasma pueden ser lo suficientemente fuertes como para triturar metal.

En el otro extremo, puede tratar las cargas positivas como completamente estacionarias en el marco del laboratorio, con densidad fija e "inmunes" a los campos electromagnéticos, con la corriente debida por completo al movimiento de los portadores de carga negativa móviles. Este es un modelo más realista para un alambre de metal, ya que las fuerzas de intercambio interatómicas y de Fermi entre los átomos de cobre son mucho, mucho más fuertes que las inducidas por los campos típicos aplicados y las corrientes de electrones. Resulta que en el marco del laboratorio, la densidad de carga lineal total del cable debe ser cero en el equilibrio (de lo contrario, intercambiaría electrones con las fuentes fijas y se hundiría en la batería hasta que se neutralizara), pero en el resto del marco de los electrones en movimiento, el volumen a granella densidad de carga debe ser cero (de lo contrario, los electrones experimentarían una fuerza eléctrica radial acercándolos o alejándolos del eje del cable).

Combinando estos requisitos, se obtiene la siguiente imagen: definir$R$ser el radio del alambre,$\rho_0$ser la densidad de iones positivos en el marco del laboratorio (en el que están en reposo),$\beta = v/c$, dónde$v$es la velocidad de deriva del electrón como se ve en el marco de laboratorio, y$\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2}$. En el marco del laboratorio, la densidad de carga de volumen positivo a granel es$\rho_0$y la densidad de carga de volumen negativo a granel es$-\gamma^2 \rho_0$, que es mayor en magnitud. Así que la densidad de carga de volumen neto a granel$(1 - \gamma^2)\rho_0 = -\beta^2 \gamma^2 \rho_0$es negativa, y hay un campo eléctrico radialmente hacia adentro cuya magnitud aumenta linealmente con el radio. (La generación interna de este campo eléctrico radial a veces se denomina "efecto Hall autoinducido"). El campo eléctrico equilibra la atracción radial hacia adentro entre los electrones debido al flujo de corriente. Hay una densidad de carga superficial positiva compensatoria$\sigma = (R / 2) \beta^2 \gamma^2 \rho_0$alrededor de la superficie del cable que equilibra la carga volumétrica negativa, por lo que el campo eléctrico radial se desvanece fuera del cable. Esta carga superficial está en reposo en el marco del laboratorio, por lo que no contribuye a la corriente.

En el marco de los electrones, no hay densidad de carga de volumen aparente o campo eléctrico radial dentro del cable. (Hay un campo magnético por el movimiento de los iones positivos, pero los electrones no lo sienten porque están en reposo en este marco). La carga superficial en este marco es$\sigma' = (R / 2) \beta^2 \gamma^3 \rho_0$, y la densidad lineal total en este marco es$\lambda' = 2 \pi R \sigma' = \pi R^2 \beta^2 \gamma^3 \rho_0$. En este marco, hay un campo eléctrico radial fuera del cable, que no afecta a los electrones, pero atrae o repele partículas cargadas fuera del cable.

Pero en un alambre de cobre con corrientes típicas, los electrones son extremadamente no relativistas ($\beta \ll 1$), por lo que la carga global negativa neta y la carga superficial positiva son extremadamente pequeñas.

Como ya se mencionó, la conductividad es tanto teórica como empíricamente proporcional al área de la sección transversal, no a la circunferencia. Una explicación intuitiva (para CC o CA de baja frecuencia) resulta de las fuerzas entre los electrones en movimiento en oposición a los estáticos. Piense en ello como la Ley de Ampere, las Ecuaciones de Maxwell o la naturaleza relativista del electromagnetismo; de cualquier manera, los electrones que se mueven en direcciones paralelas se atraen. Por lo tanto, la distribución de corriente de la sección transversal real resultaría de las fuerzas netas (tanto atractivas como repulsivas) de los electrones a medida que atraviesan el cable. No voy a calcular esa distribución, y una búsqueda rápida no la encontré. Podría revisar JD Jackson -- Ya no tengo mi copia. De todos modos,

Adición: para AC, consulte http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf

Preferiría simplemente haber comentado, pero como obtuve una cuenta aquí solo por esto, intentaré responder, pero no puedo evitar intentar redirigir algunos de los comentarios aquí.

Respuesta simple: Sí, en un caso ideal. Si construye el modelo, verá que la densidad de corriente se reduce a cero en la línea central del conductor, donde el vector E es cero. Esto requiere algo de trabajo más allá de la declaración de las ecuaciones de Maxwell.

La realidad, por supuesto, no es tan corta y seca. Pero el gradiente de densidad de corriente sigue siendo muy significativo. ¿Quieres saber por qué Nikolai Tesla pudo demostrar el fenómeno utilizando su propio cuerpo? Bueno, aquí lo tienes.

Por lo tanto, use cable trenzado para cables de parlantes, tomas de ipod, etc. Su capacidad de corriente total (debido al calor) es menor, así que no instale cables en su casa.

Finalmente, la separación de las líneas de transmisión de energía es para reducir las pérdidas por acoplamiento capacitivo. Pero ya que estamos en el tema, echa un vistazo a la presa Hoover. Allí se puede comprar un tramo de la línea de transmisión original desde la represa hasta la red. Es de cobre, hecho de piezas de sección transversal radial entrelazadas. Y sí, es hueco. Para 60 Hz.

Ahí tienes

Para reducir: Intente comprender el concepto de densidad de corriente en un conductor.

Tanto en el interior (a granel) como en la superficie, dependiendo del voltaje y frecuencias de la fuente. Siempre se requiere carga superficial en un cable conductor para establecer el flujo de potencia sobre el cable. Hay dos tipos de densidad de corriente.$\boldsymbol J$:$\operatorname{div}\boldsymbol J = 0$o$\operatorname{div} \boldsymbol J \lessgtr 0$, dependiendo de la dinámica de carga superficial:$\operatorname{div} \boldsymbol J + \frac{\partial\rho}{\partial t} = 0$.

En la mayoría de los sistemas$\frac{\partial\rho}{\partial t}$es tan pequeña que la corriente conducida está libre de divergencia (corriente de deriva típica en los cables). Sin embargo, existen sistemas excepcionales, en los que toda la corriente se usa para alternar el signo de la carga superficial en el cable, entonces la corriente es básicamente corriente superficial. En principio, tal sistema podría transportar energía. Gracias por compartir la buena pregunta y por pensar fuera de la caja.

La respuesta corta es la superficie. Estar en un automóvil durante la caída de un rayo o una caída de la línea de alto voltaje lo mataría. Piense también en los videos de Tesla en los que alguien lleva una armadura y no muere por los arcos de electricidad que le golpean en la cabeza; la diferencia de potencial de su cabeza a sus pies, aunque solo sea por un momento, es suficiente para matarlo de otra manera.

Trataré de ser breve y dulce; El cable trenzado es capaz de proporcionar un alto amperaje sin sobrecalentarse porque los hilos dividen la carga... es decir, los cables de la batería de su automóvil. El cable trenzado es superior al sólido pero demasiado costoso para recorridos largos, por lo que el alambre sólido se usa para recorridos largos como para su casa (fácil de enrollar o doblar) línea de suministro de la compañía eléctrica sólida pero flexible. Sí, puede ser cierto que en un conductor sólido habrá menos resistencia en el centro, sería nominal. Tome sus electrodomésticos, por ejemplo, 120v se suministra a su hogar como una longitud de onda (mantiene el voltaje constante y ayuda a evitar que la línea se sobrecaliente) Ahora examine todo lo que conecta a la pared, si tiene un motor eléctrico, generalmente funciona con A / C ah ! pero todo lo demás se ejecuta en DC. la mayoría de los dispositivos transforman A/C a DC porque DC puede manejar tiradas cortas con alto (amperaje,