當導線斷裂後,導線上的電荷是怎麼分布的?

時間 2021-06-01 03:43:22

1樓:彭曉韜

首先,導線斷裂後導線上的電荷分布仍然由其內部和周圍電磁場決定。當導致兩端存在恆定電壓時,則導線正極上的電子數量減少而呈現出帶正電的特性,負極則電子數量增多而呈現帶負電的特性;而存在交變電壓時,則導致兩站的帶電性會隨時間變化;

其次,導線上的電荷密度與導線的長度/截面積不會因為導線斷裂而發生變化,因為導線內部的原子數量並不因為導線的斷裂而發生變化。原子數量不變時,則原子中的電子和質子數量也不會因此而發生變化。只是當導線斷裂後,導線斷口兩端仍然存在外加電壓時,會因電壓的不同而發生電子在導線內部分布的重組而已。

再者,無論在大氣層內還是真空中,斷裂後的導線斷口兩端的距離大小也會影響導線內部電子的分布。因為斷口相當於乙個很大的電阻,導線兩端存在電壓時,斷口兩端的電壓基本上等於線路中的總電壓。電阻越大,則斷口兩端聚焦的自由電子數量就會越少。

總之,導線的電荷分布會出現隨斷口兩端電壓的變化而變化。

2樓:白又白

導線斷裂後,有一部分會在斷裂出聚集形成乙個微小的電壓,電容就是這個原理。其聚集的電荷量取決於電壓和電容,電容由導線斷裂處的相對面積,電解質,和斷裂處的距離決定

3樓:zona

建立起導線電流流動是電場梯度差造成的,

導線斷裂過程中電場沒有變化,

然後琢磨一下電子在電場下運動的情況,就知道大約會怎樣

4樓:Patrick Zhang

題主的問題很有意思,它不但涉及到電氣現象,也與物理現象有關。

我們看下圖:

圖1:當導線斷裂瞬間,發生了什麼?

當圖1中的導線瞬間斷開,會出現幾個效應。

我們來設想一下,正在通電的導線斷裂了。由於斷裂前導線正在執行,其中有電流I流過。當導線在將斷未斷時,由於導線截面大幅度減小,於是會產生劇烈發熱,導線材料熔融並汽化。

當導線斷開瞬間,斷裂點之間的距離甚小,而電場強度很高,於是出現了第乙個現象,叫做熱電子發射。

導線斷開的過渡過程很短。考慮到交流電的半個周波內,因為電壓不會改變方向,和直流電差不多,於是導線斷裂點的兩側就出現了陰極和陽極。在陰極,出現熱電子發射,熱電子轟擊另一側的陽極,同時激發電極間隙中的氣體,氣體被電離,產生了陰離子和陽離子對,並參與到導電中。

此時,導線的斷裂點之間已經出現電弧了。

第二個現象,叫做電場電離。

電場電離其實指的就是間隙氣體在高電場作用下的的激發電離。不過,電場電離作用最強烈處發生在導線斷裂點的尖端處。

電場電離還有另外乙個名稱,叫做場致發射。

第三個現象,當然就與電弧有關。

導線斷裂點之間出現電弧,它的溫度很高,但能延續維持電流的短時流通,也即續流作用。電弧燒蝕使得導線斷裂點間的距離不斷加大,電弧的弧長也不斷增加,電弧的溫度降低,電流減小,電弧電壓卻不斷上公升,終於在某個時刻,電弧熄滅。從此時起,導線才真正地斷了。

電弧,它具有負阻特性:電弧的電流越大,電弧的溫度就越高,而電弧的電壓就越低,電弧的直徑也越大。當電弧的弧長被拉長後,如果電流不增大,電弧的溫度就會下降,它的電壓反而會上公升。

下圖是電弧的伏安特性曲線:

圖2:電弧的伏安特性曲線

圖2中,電弧電流Ia2大於Ia1,但電弧電壓Ua2小於Ua1。這說明,電弧具有負阻特性,並且電弧電壓越高,電弧的溫度就越低。

我們來看看導線斷裂期間的電流和電壓變化。我們先看下圖:

圖3:導線斷裂時的等效電路圖

我們來列寫圖3的方程:

從中解出導線斷裂點電壓Ux: ,式1

我們來仔細看式1:

1)當導線未斷裂時,Ux=0。由於此時電流對時間沒有變化,也即dI/dt=0,於是有IR=E。這是在正常執行狀態下的結果。

2)導線斷裂了,當電流減小到零時,且dI/dt=0,電路進入到穩定狀態,此時有Ux=E。這很容易理解,導線斷裂點的穩定電壓就是電源電動勢嘛。

3)在導線斷裂的過渡過程中,斷裂點電壓Ux從零開始上公升,電流I越來越小,但電流對時間的變化率dI/dt卻越來越大。如果線路中沒有電感,倒也不會怎樣,但如果存在電感,它就會產生反向電動勢,且與dI/dt成正比,由此在導線斷裂點上出現了過電壓。

我們看下圖:

圖4:導線斷裂點的電流和電壓曲線

圖4中,在時刻t1之前是正常狀態,t1到t2中間的這一段時間就是導線斷裂後的過渡過程。在此過渡過程中,我們能看到幾個關鍵點:

關鍵點之一:我們發現導線斷裂後,導線斷裂點的電壓本來是零,但由於有電弧的存在,所以電路中的電流逐漸減小到零。電壓經歷了乙個非常短暫的過渡過程。

關鍵點之二:導線斷裂點的電壓Ux最後等於電源電動勢E,它就是導線斷裂點的穩態電壓值。

關鍵點之三:電弧在何處出現?當然是在t1和t2之間了。並且隨著電壓上公升,電弧溫度越來越低,直至熄滅。

關鍵點之四:電壓曲線波形是凹的,而電流曲線則是凸的。這說明,越接近t2時間點,電流波形就越陡峭,電流對時間的變化率dI/dt就越大。

因為電感的反向電動勢 ,電流對時間的變化率越陡峭,電感產生的反向電動勢就越高。

關鍵點之五:我們看電壓曲線。如果線路中存在電感,電流急劇減小必將使得電感會產生乙個過電壓,加在導線斷裂點上,見圖4上圖的的綠色電壓線。

過電壓最高可以等於3倍電源電壓。

注意過電壓的最高點,恰恰就是電流即將減小到零的t2點。

由於有過電壓,所以導線斷裂點電壓Ux從最高點經過一段時間,才回歸到電源電動勢E。

如果線路中沒有電感,則Ux沿著藍色的線過渡到電源電動勢E。最後,來回答題主的問題。題主的疑問是:

導線斷裂後,導線上的電荷密度與導線的長度/截面積有怎樣的關係?」。

我的回答是:當導電斷裂進入穩態後,導線上已經沒有了電流,導線的長度和截面積已經起不到任何作用。只有在導線斷裂瞬間的過渡過程,這些引數才有意義。

關鍵是:導線斷裂的原因是什麼。

第一種原因,導線流過正常的電流,但因為外力的原因,使得導線斷裂。此時導線所發生的情況,就是我在前面描述的過程。具體我就不再重複了。

在這種情況下,導線的長度和截面積不會起到什麼作用。

第二種原因,導線流過短路電流,於是導線就會發熱,溫度急劇增高。由於導線此時的機械強度極低,再加上它的外部絕緣層可能已經燃燒,只要有一點受力,它就會斷裂。

導線在短路電流衝擊下的最高溫度與電流密度、導線長度和導線截面積有何關係?我們來看具體的表示式,如下:

,式2式2中, 就是導線最高溫度,而 就是導線正常狀態下的執行溫度。

我們來仔細看式2的指數項: 。在這裡,Ik是短路電流,S是導體的截面積,ρ0這是導體材料的電阻率,而tk是短路電流流過的時間,C是比熱容,γ是導線材料的密度,α是導線的電阻溫度係數。

我們把短路電流Ik除以導線的截面積S,就得到題主關心的電流密度J,此時式2的指數項變成: 。我們看到了導線的最高溫度與導線上的電流密度J、截面積S是有關係的。

也因此,在選配配電電纜截面時,必須要做一項工作,就是對選配完成的電纜引數作熱穩定性校驗,以確定電纜在短路狀態下是否能抵禦短路電流的熱衝擊。

由於短路對導線的衝擊是瞬態的,按能量不變原則,我們可以得到下式:

,式3式3中的形式 叫做允通能量。利用式3,我們可以校核不同短路電流對導線或者電纜的短路熱衝擊作用。

允通能量對於開關電器和導線來說,十分重要。為何?因為開關電器的觸頭以及各類導線,雖然它們的電阻很小,但短路電流對觸頭和連線導線(電纜)的熱衝擊和電動力(觸頭霍姆斥力)衝擊卻很大。

所以,允通能量是設計和考核導線(電纜)的重要指標之一。

影響導線溫公升的因素有哪些?

仔細理解為何導線的發熱與導線長度無關

5樓:好貓

不考慮其它額外因素,比如對地電容等,斷路導體加電壓,導體中的電荷分布和不帶電一樣。因為電荷重新分別取決於庫倫力,等電位沒有這個效應。

6樓:苟全性命

斷路兩端導線構成乙個電容。導線上的電荷分布由電場分布完全決定。

和這電容有關的物理量就多了去了,斷路導線間距,導線粗細長短,彎曲形狀,絕緣層情況等等等等。

一般情況下都是沒法拿筆算出來的,建議用物理場模擬軟體做數值計算。

7樓:風雨同路

兩段導線的電勢與各自相連的電源極端相同。

電荷均勻分布在導體表面。

異種電荷相互吸引,使得斷點處聚集了比先前更多的電荷。

但這並不意味著斷點的電勢最終發生了變化。

是斷點產生的電場互相影響了對方的電勢,

然後更多的電荷聚集,使電勢回到了原狀態。

書中說,導線內的電場由電源傳給導線,然後由導線分段建立電場向導線遠端傳送,導線內部是怎麼建立電場的?

謝菸客 題主這個問題問的好,記得我當年剛學習電磁場這門課的時候就產生過這種疑問。下面我簡單的解釋一下,由於比較基礎,可能有些表述不夠嚴謹,請高人拍磚,我也學習提高。首先我們需要明確乙個概念,什麼是電源。一般來講,提供非靜電力將其它形式的能轉為電能的裝置稱為電源,比如電池是將化學能轉換為電勢能,發電機...

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