Существует ли электрическое поле вокруг проводника с током?
Существует, но очень слабое. Большая его часть сосредоточена внутри проводника. Это если говорить об электростатическом поле. Если ток в проводнике переменный, то вокруг проводника существует еще вихревое эл. поле. Его направление, в частности, совпадает с направлением поля в индуктирующем проводнике.
Остальные ответы
Нет, т. к. число электронов и протонов всегда равно! Ну и что из того, что электроны движутся.
В проводнике имеются электрические заряды, свободно перемещающиеся под действием электрических сил. Поэтому, если в проводнике возникло электрическое поле, то свободные заряды проводника придут в движение под действием этого поля, т. е. через проводник будет идти электрический ток.
Но для этого нужны определенные условия поддержания длительного электрического тока в проводнике. Но в опытах с зарядкой отдельных проводников мы не наблюдаем длительного тока, т. е. заряды на проводнике после некоторых перемещений приходят в состояние равновесия. Равновесие будет достигнуто, когда заряды распределятся по проводнику таким образом, чтобы создаваемое ими внутри проводника электрическое поле как раз компенсировало внешнее поле, вызвавшее перемещение зарядов. Пока такая компенсация не наступила, электрические заряды, благодаря их подвижности в проводнике, будут продолжать движение. Таким образом, при равновесии зарядов напряженность электрического поля в проводнике равна нулю, т. е. электрическое поле в проводнике отсутствует.
Магнитное поле вокруг кабеля
Добрый день.
Читал форум, так или иначе тема затрагивалась в некоторых сообщениях, но так для себя и не уяснил один момент, помогите разобраться.
В нормативных документах запрещено прокладывать отдельные кабели в металлических трубах, это связанно с тем, что магнитное поле кабеля вызывает токи в трубах, а токи нагрев труб. Ток по кабелю протекает переменный, промышленной частоты, значит поле должно быть тоже переменное, а переменное поле бывает только электромагнитным, т.е. электрическое создает магнитное, которое в свою очередь порождает опять электрическое и т.д. Медный экран экранирует от электрического поля, а от магнитного поля не защищает, и это магнитное поле (ну точнее токи, протекающие под действием этого поля) вызывает нагрев металлических труб. Как такое получается, ведь магнитное не поле может существовать без электрического?
2.06.2014 в 10:51
Реком.: 1, энерг.: 20 , стаж 3675 дней, отмечен 2 раза
Что мешает магнитному существовать без электрического? Оно переменное, воздействует на замкнутый контур (трубу), вследствие чего возникает электрический ток в трубе, нагревающий ее. По поводу экранирования есть сомнение, что такой экран экранирует электрическое поле. Он существует отнюдь не для этого.
2.06.2014 в 15:27
Стаж 3596 дней
«Что мешает магнитному существовать без электрического? Оно переменное. »
Именно то, что поле переменное и мешает магнитному существовать без электрического. Переменное магнитное порождает переменное электрическое, а переменное электрическое порождает переменное магнитное. Поэтому переменное поле бывает только электромагнитным.
«Оно переменное, воздействует на замкнутый контур (трубу), вследствие чего возникает электрический ток в трубе, нагревающий ее. »
С этой частью полностью согласен. Причины нагревания трубы я описал в своем первом сообщении.
«По поводу экранирования есть сомнение, что такой экран экранирует электрическое поле. Он существует отнюдь не для этог. »
Экран потому и называется экран, что должен экранировать.
2.06.2014 в 15:59
Реком.: 1, энерг.: 20 , стаж 3675 дней, отмечен 2 раза
«Именно то, что поле переменное и мешает магнитному существовать без электрического. Переменное магнитное порождает переменное электрическое, а переменное электрическое порождает переменное магнитное. Поэтому переменное поле бывает только электромагнитным.»
Да, природа переменного магнитного такова, но если у ЭМ поля блокировать электрическое (если экран все-таки это делает), магнитное при этом остается.
«Экран потому и называется экран, что должен экранировать.»
А вот не совсем, это можно отнести к контрольным кабелям, кабелям управления и передачи данных. В силовых кабелях на среднее напряжение экран отводит токи КЗ, обеспечивает срабатывание релейной защиты.
3.06.2014 в 13:00
Реком.: 32, энерг.: 41 , стаж 5412 дней, отмечен 518 раз
Вы абсолютно правильно рассуждаете, мы имеем дело с электромагнитным полем в кабеле, с выходом наружу электромагнитного поля, конечно нагрев труб происходит не от собственно магнитного поля, а от электромагнитного, выход ЭМП есть всегда, в той или иной степени, вопрос в том, какие кабели в инструкциях запрещено прокладывать, возможно все-таки не экранированные, тогда и возникает опасность нагрева труб. добавлено 03.06.2014 в 13:05 это ответ на первый пост
3.06.2014 в 13:04
Реком.: 32, энерг.: 41 , стаж 5412 дней, отмечен 518 раз
«А вот не совсем, это можно отнести к контрольным кабелям, кабелям управления и передачи данных. В силовых кабелях на среднее напряжение экран отводит токи КЗ, обеспечивает срабатывание релейной защиты.»
Руслан, по моему вы открываете новые законы физики. Экран не знает в каких кабелях он лежит и выполняет свою функцию экранирования во всех кабелях без исключения.
3.06.2014 в 13:08
Реком.: 1, энерг.: 20 , стаж 3675 дней, отмечен 2 раза
В инструкциях речь в принципе об одножильных кабелях. По той же самой причине (нагрев) крепление кабеля должно осуществляться скобами из немагнитного материала. Кстати, если бы вокруг одножильного кабеля среднего напряжения с экраном не было электромагнитного поля, не возникало бы значительных динамических сил при КЗ.
3.06.2014 в 13:10
Реком.: 1, энерг.: 20 , стаж 3675 дней, отмечен 2 раза
Согласе, экран не знает, но в силовых кабелях конструктив экрана совершенно другой, как и назначение.
3.06.2014 в 15:55
Стаж 3596 дней
Zadira, речь идет об одножильных высоковольтных кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена.
PROk, да, скобы из магнитного материала запрещены по той же причине, что и трубы.
Но вывод, что экран вовсе не экранирует от электрического поля уж очень как-то парадоксален. Может есть другое объяснение у участников форума?
10.06.2014 в 20:56
Реком.: 10, энерг.: 94 , стаж 6919 дней, отмечен 515 раз
Во многом большинство правильных ссылок уже приводились в этом разделе и темой этой уже навязли ранее между зубов с назойливым постоянством.
Одного универсального на все случаи жизни ферромагнитных труб ответа для проложенного в них аксиально проводника с переменным током конечно же нет и быть не может.
Тем более, что строго говоря, система даже на промышленной частоте 50. 60 Гц не является линейной. Главная причина конечно в «кухне» магнитного гистерезиса типичных сталей, применяемых в качестве брони для типичных силовых трехфазных кабелей, либо сталей, применяемых в трубной промышленности.
Решения с неферромагнитными материалами для брони или трубы многократнотно и предлагались и патентовались. Также можно снижать эффекты применением специальных «безгистерезисных» сплавов, но это как правило приводит к весьма ощутимому удорожанию.
Защититься только медным или алюминиевым экраном от «вылезания» наружу переменного э/м поля однофазного кабеля конечно можно, но как известно, ну очень дорого (конечно речь о 50Гц и высоких напряжениях и токах для типовых сегодняшних КЛ).
13.06.2014 в 07:38
Энерг.: 20 , стаж 6856 дней, отмечен 33 раза
«Zadira, речь идет об одножильных высоковольтных кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена.
PROk, да, скобы из магнитного материала запрещены по той же причине, что и трубы.
Но вывод, что экран вовсе не экранирует от электрического поля уж очень как-то парадоксален. Может есть другое объяснение у . »
Экран не обязательно должен защищать от поля
Назначение экранов в силовых конструкциях перераспределение электромагнитного поля таким образом, чтобы использование изоляции было оптимальным. В высоковольтных кабелях экранированием добиваются радиальности поля.
Еще как пример: тороидальные экраны на высоковольтных вводах. Те вообще ни от чего защитить не могут (просто кольца вокруг изолятора), зато повышают напряжение появления короны
Из политехнического словаря:
ЭКРАН (от франц. eсгап — заслон, ширма) — устройство с поверхностью, поглощающей, преобразующей или отражающей излучения разл. видов энергии, для использования этих излучений или защиты от их действия
22.06.2014 в 20:28
posetitel
1. Медный экран экранирует от электрического поля,
а от магнитного поля не защищает,
2. и это магнитное поле (ну точнее токи, протекающие под действием этого поля) вызывает нагрев металлических труб.
3. Как такое получается, ведь магнитное не поле может существовать без электрического?
==============================================
1. Не верно.
Медный, а точнее, проводящий экран надёжно ( полностью) экранирует только от электроСТАТИЧЕСКОГО поля.
А для переменного электромагнитного, в составе которого есть ПЕРЕМЕННАЯ электрическая составляющая – нет ( точнее , не полностью).
2. Не верно.
Как пишет здесь Бюрократ, ( переменное) магнитное поле греет через механизмы ГИСТЕРЕЗИСНЫХ потерь. Но НЕ ВЫЗЫВАЕТ ТОКИ в проводнике (магнитное поле не действует на неподвижные зарядами) .
Ток движет электрическое поле, сопровождающее переменное магнитное ( и , вместе с ним проникает в проводники ) , как Вы совершенно верно пишете, posetitel
3. А оно и не существует отдельно – см п.2.
2.07.2014 в 13:13
sss, спасибо за участие.
хочу немного подробнее пройтись по пунктам.
1. Объясните или дайте ссылку на литературу, где можно почитать про электростатическое поле вокруг проводника с переменным током, ведь статическое поле появляется вокруг статических зарядов. Здесь я не совсем силен.
2.07.2014 в 13:24
Бюрократ, Как можно защититься от только медным или алюминиевым экраном от «вылезания» наружу переменного э/м поля однофазного кабеля?
2.07.2014 в 13:31
Реком.: 1, энерг.: 20 , стаж 3675 дней, отмечен 2 раза
Например в кабелях для электроприводов (1 кВ), обеспечивающих электромагнитную совместимость, есть конструкция экрана из медных луженых проволок со степенью покрытия более 80%.
2.07.2014 в 15:12
sss, спасибо за участие.
хочу немного подробнее пройтись по пунктам.
1. Объясните или дайте ссылку на литературу, где можно почитать про электростатическое поле вокруг проводника с переменным током, ведь статическое поле появляется вокруг статических зарядов. Здесь я не совсем силен.
================================================
Если на проводниках кабеля или внутри изоляторов нет постоянного потенциала ( статического заряда, скажем, от трибоэлектричества ), то, строго говоря, электростатического поля внутри и вокруг кабеля нет.
Но.
Но тут есть нюанс.
Кабель – резко анизотропный искусственный диэлектрик,
состоящий из длинных-предлинных проводников, внедрённых в изолятор.
С таким расчётом, чтобы вдоль был проводником, а поперёк – изолятором.
Отвлекаясь от слабых эффектов скрутки, можно считать, что проводники (почти) параллельны.
Одно из решений уравнений Максвелла-Хевисайда для такой системы – Т-волны — поперечные электромагнитные, в которых электрическое и магнитное поле взаимно перпендикулярны и оба перпендикулярны оси проводников
( если отвлечься от эффектов преломления электрического поля на границах изоляторов, магнитного – на границах магнетиков, которые иногда вводят в изоляторы, а также связанных с конечным сопротивлением проводников, и, опять же, скрутки).
Между прочим, для таких волн уравнения Максвелла могут быть записаны в виде хорошо известных всем связистам и кабельщикам телеграфных уравнений.
И все кабельщики и связисты имеют дело в основном именно с Т-волнами (точнее, квази Т-волнами из-за укзанных выше бяк: скруток, попречных неоднородностей изоляторов)
И вот теперь – обещанный нюанс.
(ПОПЕРЕЧНУЮ) электрическую составляющую электромагнитной Т-волны в очень хорошем приближении можно рассматривать, как ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ поле (так как поперечные размеры кабеля, как правило, намного меньше длин Т-волн ). Со всеми ыытекающими : полной экранировкой и тп…
А вот магнитную составляющую Т-волны, связанную с длинным-предлинным ПРОДОЛЬНЫМ током в жилах кабеля, статическим магнитным полем уже не назовёшь.
Оно проходит сквозь экраны , проникает в проводники и всё такое. И затаскивает с собой туда ПРОДОЛЬНОЕ тем проводникам электрическое поле. Так что переменный ток, проходящий по жилам, наводит противоток в остальных проводниках ( в экране в том числе) .
Магнитное поле
Электрические и магнитные явления связаны, так как имеют общую природу ― электромагнитное поле. Движение электрических зарядов всегда создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, всегда вызывает перемещение электрических зарядов.
Так как ток ― это направленное перемещение электрических зарядов, то протекание тока в проводнике всегда создает магнитное поле вокруг проводника.
Линии магнитного поля, которое создается проводниками с электрическим током.
Для изображения магнитных полей используют магнитные силовые линии ― линии, на которых модуль вектора магнитной индукции одинаков и равен В, а сам вектор магнитной индукции \(\overrightarrow\) направлен по касательной к линии. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.
Для обозначения направлений движения тока и направлений магнитных силовых линий, помимо стрелок «вправо» → и «влево» ←, используются знаки «от нас» ― ⊗ или ⊕ (как торец оперения стрелы, летящей от нас), и «к нам» • или ⊙ (как острие летящей на нас стрелы).
Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow\) , которое создает ток, протекающий в прямом проводнике, используется правило правого винта: если представить, что вкручиваешь винт по направлению тока ― то направление вращения винта покажет направление вектора магнитной индукции.
Магнитное поле, которое создает ток в прямом проводнике, представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. При этом, некоторая область магнитного поля всегда направлена на нас, а другая ― от нас.
Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow\) , которое создает ток, в круговом проводнике или витках катушки, используется правило правого винта: если ток вращается по часовой стрелке, то магнитное поле будет направленно «от нас». Если ток течет против часовой стрелки, то ток будет направлен «на нас».
Сила Ампера ― сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля. Сила ампера равна FA = IBLsinα, где
I ― сила тока в проводнике [A];
sinα ― синус угла между проводником и вектором магнитной индукции.
Сила Ампера максимальна, если между проводником и вектором магнитной индукции угол равен α = 90°, так как sinα = sin90° = 1 и FA = IBLsin90° = IBL.
Если проводник расположен параллельно вектору магнитной индукции, т. е. α = 0° ― сила Ампера отсутствует, так как sinα = sin0° = 0 и FA = IBLsin0° = 0.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока ― то противопоставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Взаимодействие проводников с током
Ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле. Если рядом расположен еще один проводник, в котором протекает ток ― то второй проводник оказывается в магнитном поле, которое создает первый. На проводник в магнитном поле действует сила Ампера, в результате чего проводники с током или притягиваются, или отталкиваются друг от друга.
Пусть в проводниках 1 и 2 токи текут в одном направлении. Тогда первый проводник создает магнитное поле, направленное против часовой стрелки. В области, близлежащей к проводнику 2 это поле направлено перпендикулярно проводнику и от него. Согласно правилу левой руки, сила Ампера, которая действует со стороны магнитного поля, создаваемого проводником 1 на проводник с током 2, F1-2 направлено в сторону проводника 1.
§ 124. Магнитное поле прямолинейного проводника и кругового витка с током.
Правило буравчика. Наглядное представление о характере магнитного поля, возникающего вокруг какого-либо проводника, по которому идет электрический ток, дают картины линий магнитного поля, получаемые так, как это было описано в § 122.
На рис. 214 и 217 изображены такие картины линий, полученные с помощью железных опилок для поля длинного прямолинейного проводника и для поля кругового витка с током. Рассматривая внимательно эти рисунки, мы прежде всего обращаем внимание на то, что линии магнитного поля имеют, вид замкнутых линий. Это свойство их является, общим и очень важным. Какова бы ни была форма проводников, по которым идет ток, линии создаваемого им магнитного поля всегда замкнуты сами на себя, т. е. не имеют ни начала, ни конца. В этом существенное отличие магнитного поля от электрического, линии которого, как мы видели в § 18, всегда начинаются на одних зарядах и кончаются на других. Мы видели, например, что линии электрического поля заканчиваются на поверхности металлического тела, которая оказывается заряженной, и внутрь металла электрическое поле не проникает. Наблюдение же над магнитным полем показывает, наоборот, что линии его никогда не оканчиваются на какой-нибудь поверхности. Когда магнитное поле создается постоянными магнитами, то не так легко проследить, что и в этом случае магнитное поле не оканчивается на поверхности магнитов, а проникает внутрь их, ибо мы не можем использовать железные опилки для наблюдения того, что делается внутри железа. Однако и в этих случаях тщательное исследование показывает, что магнитное поле проходит сквозь железо, и линии его замыкаются сами на себя, т. е. являются замкнутыми.
Рис. 217. Картина линий магнитного поля кругового витка с током
Это важное различие между электрическими и магнитными полями связано с тем, что в природе существуют электрические заряды и не существует магнитных. Поэтому линии электрического поля идут от заряда к заряду, у магнитного же поля нет ни начала ни конца, и линии его имеют замкнутый характер.
Если в опытах, дающих картины магнитного поля тока, заменить опилки маленькими магнитными стрелками, то северные концы их укажут направление линий поля, т. е. направление поля (§ 122). Рис. 218 показывает, что при изменении направления тока изменяется и направление магнитного поля. Взаимную связь между направлением тока и направлением поля, им создаваемого, легко запомнить при помощи правила буравчика (рис. 219).
Рис. 218. Связь между направлением тока в прямолинейном проводнике и направлением линий магнитного поля, создаваемого этим током: а) ток направлен сверху вниз; б) ток направлен снизу вверх
Рис. 219. К правилу буравчика
Если ввинчивать буравчик (правый винт) так, чтобы он шел по направлению тока, то направление вращения его ручки укажет направление поля (направление линий поля).
В такой форме это правило особенно удобно для установления направления поля вокруг длинных прямолинейных проводников. В случае кольцевого проводника то же правило применимо к каждому участку его. Еще удобнее для кольцевых проводников правило буравчика сформулировать так:
Если ввинчивать буравчик так, чтобы он шел по направлению поля (вдоль линий поля), то направление вращения его ручки укажет направление тока.
Нетрудно видеть, что обе формулировки правила буравчика совершенно равноценны и их можно одинаково применять к определению связи между направлением тока и направлением магнитной индукции поля при любой форме проводников.
124.1. Укажите, какой из полюсов магнитной стрелки на рис. 73 северный и какой южный.
124.2. К вершинам и проволочного параллелограмма (рис. 220) подведены провода от источника тока. Какова магнитная индукция поля в центре параллелограмма ? Как будет направлена магнитная индукция в точке , если ветвь параллелограмма сделать из медной проволоки, а ветвь – из алюминиевой проволоки того же сечения?
Рис. 220. К упражнению 124.2
124.3. Два длинных прямолинейных проводника и , не лежащих в одной плоскости, перпендикулярны друг к другу (рис. 221). Точка лежит посередине кратчайшего расстояния между этими прямыми – отрезка . Токи в проводниках и равны и имеют указанное на рисунке направление. Найдите графически направление вектора в точке . Укажите, в какой плоскости лежит этот вектор. Какой угол образует он с плоскостью, проходящей через и ?
Рис. 221. К упражнению 124.3
124.4. Выполните то же построение, что в задаче 124.3, переменив на обратное: а) направление тока в проводнике ; б) направление тока в проводнике ; в) направление тока в обоих проводниках.
124.5. По двум круговым виткам – вертикальному и горизонтальному идут токи одной и той же силы (рис. 222). Направления их указаны на рисунке стрелками. Найдите графически направление вектора в общем центре витков . Под каким углом будет наклонен этот вектор к плоскости каждого из круговых витков? Выполните то же построение, изменив направление тока на обратное сначала в вертикальном витке, затем в горизонтальном и, наконец, в обоих.
Рис. 222. К упражнению 124.5
Измерения магнитной индукции в разных точках поля вокруг проводника, по которому идет ток, показывают, что магнитная индукция в каждой точке всегда пропорциональна силе тока в проводнике. Но при данной силе тока магнитная индукция в различных точках поля различна и чрезвычайно сложно зависит от размеров и формы проводника, по которому проходит ток. Мы ограничимся одним важным случаем, когда эти зависимости сравнительно просты. Это – магнитное поле внутри соленоида.