电线

我们这里所定义的电线是用来传送电力或电信号的。电线有多种形式,由多种材料制成。它们可能看起来很简单,但工程师们意识到两点:

-用于传输的长电线中的电的行为非常不同比在设备设计中使用的短导线要好
-在交流电路中使用电线会带来各种各样的问题像皮肤效果和近似效应。

电阻率/阻抗
2。皮肤效果
3.电线设计的类型

4.更多关于电线材料
5.电线绝缘


1)。电线中的电流行为:电阻和阻抗


重要的是要知道你是处理直流电源还是交流电源在给定的电线。交流电源有一些非常复杂的物理特性,会引起一些奇怪的效应。这就是交流电源的原因之一是在1890年代开发的,长期以来直流电源。工程师喜欢C.P.斯坦梅茨得先搞清楚数学和物理。

交流电源:
交流电源海流喜欢在附近旅行电线表面(皮肤效果)。电线中的交流电源也会引起在其周围形成的磁场(电感)。这一场影响其他附近的电线(如在一个绕组)造成邻近效应。在设计交流电路时,必须考虑到所有这些特性。

直流电源:
在直流电源中,电流通过整根导线。

导体尺寸及材质(交流、直流电源):

电流在像对于银或金,材料的导电性越低,直径就必须越大,以承载相同的电流负载。

工程师选择正确的钢丝直径对于作业,电线中的电流增加电阻率并产生更多的热量。因为在下面的图中,铜可以在携带相同负载时携带比铝更电流。

下面:当Humphrey Davy Sir通过1802年通过薄的铂金线进行大量电流,它发出并制作了第一个白炽灯!但仅仅几秒钟后,由于导线中电阻引起的热量,导线融化和蒸发。


材料质量:杂质和晶体:

大多数材料都有杂质。在铜中,氧的含量和铜中的其他材料会影响导电性,所以制成电线的铜的合金与成为管道的铜是不同的。

金属是结晶的(正如你将在我们的铜的视频)。单晶铜或铝比多晶金属具有更好的导电性,但是大晶体铜的生产成本非常昂贵,只能用于高性能的应用。

电阻率:

导线中的电阻描述了导线导体材料中电子的激发。这种激发导致热量的产生和效率的损失。早期的直流电源托马斯·爱迪生不能使用宽直径铜线由于距离而不会使用宽直径铜线的电力。这使得DC功率不具有成本效益,并且允许交流电源的增长。

测量工具:
工程师使用欧姆定律为了计算给定导线的电阻是多少。这告诉我们我们将在远处松散多少能量。

I = v / r安培=伏特除以电阻

用于抵抗和电导的公式:

电阻=电阻率/横截面积
电导= 1 /电阻

当阻力是好的时候:
在线中的热量通常是浪费能量的迹象,但是在钨或钽丝中,热量使电线辉光并产生可能需要的光。钨习惯了使纤维因为它具有非常高的熔点。电线可以非常热,亮起,不会熔化。由于大部分能量通过热量和光的形式丢失,因此钨对动力传递非常糟糕。

电力传输我们寻找可能的最低电阻率,我们希望在长距离传输功率而不会通过热量失去能量。我们通过每1000英尺或米的欧姆测量电线的电阻。电力较长的是旅行,能量越多。

超导丝和电阻:

上图:超导线可以制成金属“胶带”


上图:Carl Rosner.,马克奔驰和其他人使用特殊的超导线圈生产世界上第一个10特斯拉磁铁。使用铌和锡代替铜,因为材料在不同温度下工作不同。

电力传输的一个很好的解决方案是超导体。作为金属变得超冷(接近绝对零),它获得无限远的电导率。在某种程度上,没有电阻率。已经有实验性超导高压线,能够通过几乎没有损耗来传递功率,但该技术不足以成本效益。

磁场(电感和阻抗):

每一根用来传输交流电的电线在电流流过时都会产生一个磁场。磁场是可视化的,围绕着导线的横截面同心环,每个环越靠近导线越强
磁动力。磁场用于制造非常强的磁铁(当在线圈中),例如制造马达和发电机,但是这些磁场在输电线路中是不需要的。

虽然电线的电阻率可以妨碍电流的流动并产生热量,但是电线/传输线的电感也可以阻碍电流的流动,但由于能量在创建磁场时,这种阻抗不会产生热量。而不是材料中的令人兴奋的电子。该阻抗在AC电路中称为无功阻抗。我们使用“丢失”这个词,但电源没有真正丢失,它用于创建磁场,并且当磁场折叠时返回它。

2.)皮肤效果:


在交流电力电子中,如在线外部流动。这是因为来回改变电流会导致涡流导致当前挤向表面的挤压电流。

皮肤深度

蒙皮深度是给定频率、电阻率和介电常数的一个固定数。系统中交流电源的频率越高,电线外部被压缩的电流就越多,所以在给定电压下以60赫兹使用的电线在200 MHz时是不行的。工程师在设计电路时必须时刻考虑到表皮效应。看到维基百科网站用于计算肤深的配方。
上图:工程师用绝缘绞线克服蒙皮效应。如果你让每个股等于一个皮肤深度,大部分电流在整个横截面流动,你使用所有的铜。缺点是你的电线必须有更大的直径,因为你需要所有额外的空间来绝缘。随着钢丝束直径变小,绝缘保持相同的厚度,铜面积与绝缘的比值可以变得小于1,然后你将有更多的绝缘在绕组或电缆铜。

以下:较高的频率AC =较少的肤浅。“更快”的电流来回交替,它创造的涡流越多。这种高频电源在MHz范围内运行,请注意右侧使用的特殊电线。电线似乎是搁浅的并且裸露,但是它不是,它具有透明的搪瓷涂层绝缘,因此每条小条线承载它是当前的一部分,电流在每个股线的外部行驶。这为整体提供了更多的表面积,并允许大量的电流进行行进。


以上:紧凑型荧光电子器件,变压器非常小,设计非常便宜。这些部件经常在单位的典型生命周期结束前失败

工程师和成本储蓄设计:

工程师们用数学计算“表皮深度”,以找出有多少金属丝被用来导电。这是电气工程师在电力系统设计工作中的一个关键部分。这项工作也与节约成本有关,因为工程师可以找到什么规格的电线和什么类型的电线使用,并与其他材料和配置进行比较。老电动马达发电机从20世纪初开始,人们知道这种技术持续了很长一段时间,因为当时由于电器和机器的成本较高,工程师可以设计出性能最好的绕组和电线类型。今天许多电机烧坏,因为工程师们被迫使用最便宜的选择——能够处理电流的最少的材料,然而,当电机开始过热时,较薄的较便宜材料的电线会烧坏得更快。现代照明系统中的镇流器(变压器)在努力降低单位成本时寿命很短。

实践练习:成本效果设计如何设计

你可以看到并感受工程师的工作在你家周围的电线设计中。只需找到具有高成本机器或工具的较旧的电源或专业电源。感受到这些墙面麦克饼或电源的重量。现在找孩子玩具或手机充电器。感受变形金刚相比的光线。
如果你幸运的话,你可以找到两个变压器,它们可以将电源从墙上(120或220伏)转换为相同的直流电压。如果你打开外壳,你可以看到不同尺寸的绕组,以及他们使用的是铜还是铝。你将清楚地看到整体道具成本是如何影响设计的。


3.)电线类型:


以下:电力传输中公用事业使用的电线类型:

以下:固定接线用于房屋以及扬声器,器具和电话系统中使用的绳索。下面的图形显示了在房屋(SJTWA和SE电缆)和现代标准Romex中使用的旧电线。

从19世纪80年代到今天的线路:

以上:3个导体地下铜线(现在罕见)

下图:用于超导磁铁的扁平“胶带”线

最适合这份工作的电线:

所有的电气工程师都必须了解导线,并考虑使用正确的设计和材料来完成手头的亚博体育官方app任务。以下是决定导线设计的因素:

-耐久性(能够反复弯曲或承受压碎的重量)
- 电压和电流水平
-悬挂强度(能够承受自己的重量在支撑之间的长跨度)
地下或水下
-操作温度(如超导线)
成本

实线:



好处:
腐蚀面积小
能刚强吗
缺点:
如果反复弯曲,则不擅长,如果在同一位置弯曲,可以打破
对于高电压不实用

搁浅电线:


上图:困扬声器电线家家户户都有
以下:专用超粗绞合铜线



-绞合线-许多更小的线平行,可以拧在一起
好处:
是伟大的指挥家
缺点:
你可能会认为这将有利于高频使用,因为它有很多表面积小股线,但是它比固体线因为链相互接触,做空,因此线作为一个更大的线,和它有很多空气空间使得更多的阻力的大小

编线:


好处:
-与实心线相比,耐用性更好
- 比实线(大量表面积)的电导率
-CAN充当降噪导线的电磁屏蔽
- 电线中的股线越多,它就越令人不达,它越强,而且它的成本更多

特殊的连接:



实心的编织外部或这的一些组合,这些电线被用于各种特殊的应用。

同轴电缆用于无线电或有线电视传输,因为在其设计编织和外部的箔导体中,将频率陷入内部。屏蔽可防止杂散电磁能量触及敏感接亚搏体育苹果app下载收器周围的区域。

以下是电力公司使用的电线类型的视频:

实践练习:铁丝猜测游戏

从你的房子或学校车间周围收集零碎的废电线,收集不同类型的短样本。现在使用上面的图表来找出它是什么类型的电线,它是由什么制成的,并列出每一种的用途。把这个给你的老师看,看看你猜对了没有。电线有很多奇特的类型,你可能会发现自己手上有一个真正的谜。使用网络搜索来识别你所有的样本。


4)。金属材料:

电线最常见的材料是,这些不是最好的导体,但是它们储量丰富,成本低。黄金也用于应用,因为它是耐腐蚀的。黄金被用于汽车安全气囊的电子元件中,以确保该装置在多年后即使暴露在有害元素中也能正常工作。

上图:用于摩托罗拉芯片连接器的黄金

金通常用于接触区域,因为系统中的这一点更容易受到腐蚀,更有可能被氧化。

由于铝比铜便宜,而且不会腐蚀,所以它被用于电力传输中。钢中心的使用只是为了增加强度,以便在大跨度上支撑钢丝。上图是世界各地架空电力线中使用的典型ACSR电缆。

常温下为固体的良导体:

铂,银,金,铜,铝

4)。电线绝缘:

左:为了使一个有效的电机或发电机绕组必须紧密地挤在一起,尽量减少空气空间。电动机和发电机所用的电线通常涂上珐琅,以使绕组紧密地结合在一起。传统的橡胶或聚合物绝缘会使电线直径更粗,这是为什么旧的电动机比现代电动机更大更重的一个原因,同样的马力。

看看电机线是如何打包和缠绕的现代感应电动机。

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动手练习:燃烧马达!

你注意到玩具的电机很热,它闻到了它的味道吗?这是绝热蒸发。热量最终会破坏所有形式的绝缘,在电机绕组中,当绝缘足够弱时,并排的两根导线就会短路,这就会引起电弧,设备就会烧坏。

如果你有一个小的马达,你不关心,你可以故意烧了它,看看发生了什么,绕组。亚博体育官方app你可以通过超过推荐电压的设备,或通过运行电机热一段时间来做到这一点。向电工或工程师咨询以确保安全。


由m.whelan和w.kornrumpf的文章,照片和视频

来源:
乔治亚州立大学
维基百科
斯克内克塔迪奇才卡尔·罗斯纳。亚慱足球网址多少爱迪生技术中心,2008年
采访鲁迪·德恩。亚慱足球网址多少爱迪生技术中心,2012年
带丹佛电动机的视频。亚慱足球网址多少爱迪生技术中心,2012年
圣米格尔电力协会的视频。亚慱足球网址多少爱迪生技术中心,2014年
William Kornrumpf,电气工程师

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