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

Question

Estaba teniendo una conversación con mi padre y mi suegro, ambos trabajan en el área de la electricidad, y llegamos a un punto en el que ninguno de nosotros sabía cómo proceder. Yo pensaba que la electricidad viaja en la superficie, mientras que ellos pensaban que viaja a través del interior. Yo mencioné que si viajara por la superficie tendría sentido que ellos regularmente usen cables trenzados en lugar de un cable único grande para transportar electricidad.

Si alguien pudiera explicar esto para algunas personas no expertas en física pero interesadas en electricidad, estaría muy agradecido.

Answer 1

Depende de la frecuencia. La corriente continua (CC) viaja a través de la sección transversal del cable.

Una corriente eléctrica cambiante (CA) experimenta el efecto pelicular donde la electricidad fluye más fácilmente en las capas superficiales. A mayor frecuencia, más delgada es la capa superficial que es utilizable en un cable. En la corriente alterna de uso doméstico normal (50/60Hz) la profundidad de la piel es de unos 8-10mm, pero a frecuencias de microondas, la profundidad del metal por donde fluye la corriente es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz visible.

editar: Punto interesante de Navin - los hilos individuales deben estar aislados entre sí para que el efecto pelicular se aplique a cada uno individualmente. Esa es la razón de los pares de cables ampliamente separados en esta pregunta ¿Cuáles son todas las líneas en una torre de circuito doble?

Answer 2

El alambre trenzado se utiliza porque se dobla más fácilmente, pero tiene esencialmente las mismas propiedades conductivas.

La corriente fluye a lo largo de todo el alambre. Esto se puede probar fácilmente midiendo la resistencia de los alambres redondos - la resistencia disminuirá cuadráticamente con el radio, lo que indica que es el área de la sección transversal la que importa.

Enmienda: esta respuesta solo es correcta para corriente directa - ver la respuesta de Beckett a continuación para corriente alterna. Los campos magnéticos cambiantes introducen corrientes parásitas que producen el efecto de piel, donde la corriente tiende a ser transportada solo dentro de la "profundidad de la piel" del alambre, que no es proporcional al radio.

Answer 3

Esto es un poco irrelevante para 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 del volumen 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 piel es relevante para corrientes AC, pero a menos que estés tratando con alambre de pulgada de grosor, realmente no hará ninguna diferencia. A frecuencias más altas, el alambre trenzado podría ayudar un poco, pero seguiría siendo susceptible. Hay formas especiales de trenzar alambre (como el alambre Litz) para mitigar/negar el efecto, pero eso no sería necesario para la electricidad de red.

Answer 4

Como ya se mencionó, la conductividad es tanto teórica como empíricamente proporcional al área de la sección transversal, no al perímetro. Una explicación intuitiva (para CC o CA de baja frecuencia) resulta de las fuerzas entre los electrones en movimiento en lugar de estáticos. Piénselo como la Ley de Ampère, las Ecuaciones de Maxwell, o la naturaleza relativista de la electromagnética, de todas formas, los electrones moviéndose en direcciones paralelas se atraen. Por lo tanto, la distribución real de la corriente transversal resultaría de las fuerzas netas (tanto atractivas como repulsivas) de los electrones mientras atraviesan el cable. No voy a calcular esa distribución, y una búsqueda rápida no la encontró. Podría consultar a J. D. Jackson, ya no tengo mi copia. De todos modos, la fuerza de atracción entre los electrones en movimiento paralelo es la clave de por qué la electricidad fluye a través del bulk del cable en lugar de solo en la superficie (donde residirían las cargas estáticas).

Adición: Para CA, ver http://www.mathunion.org/ICM/ICM1924.2/Main/icm1924.2.0157.0218.ocr.pdf

Answer 5

Preferiría haber simplemente comentado, pero dado que creé una cuenta aquí solo por esto, intentaré responder, pero no puedo evitar intentar redirigir parte de los comentarios aquí.

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

La realidad, por supuesto, no es tan clara. Pero el gradiente de la densidad de corriente sigue siendo muy significativo. ¿Quieres saber por qué Nikola Tesla pudo demostrar el fenómeno usando su propio cuerpo? Bueno, aquí lo tienes.

Entonces, usa cables de alambre trenzado para cables de bocina, conectores de iPod, etc. Su capacidad total de corriente (debido al calor) es menor, así que no cablees tu casa con eso.

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

Ahí lo tienes.

Para abatter: Por favor, intenta entender el concepto de densidad de corriente en un conductor.