Działanie termiczne prądu, gęstość prądu i ich wpływ na nagrzewanie się przewodów

Przez działanie termiczne prądu elektrycznego rozumie się uwalnianie energii cieplnej podczas przepływu prądu przez przewodnik. Gdy prąd przepływa przez przewodnik, wolne elektrony tworzące prąd zderzają się z jonami i atomami przewodnika, ogrzewając go.

Ilość ciepła uwolnionego w tym przypadku można określić za pomocą Prawo Joule-Lenza, który jest sformułowany w następujący sposób: ilość ciepła uwalnianego podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik jest równa iloczynowi kwadratu prądu, rezystancji tego przewodnika i czasu potrzebnego do przejścia prądu przez przewodnik.

Biorąc prąd w amperach, rezystancję w omach i czas w sekundach, otrzymujemy ilość ciepła w dżulach. Biorąc pod uwagę, że iloczynem prądu i rezystancji jest napięcie, a iloczynem napięcia i prądu jest moc, okazuje się, że ilość ciepła uwalnianego w tym przypadku jest równa ilości energii elektrycznej przenoszonej do tego przewodnika podczas przepływu przez niego prądu. Oznacza to, że energia elektryczna jest przekształcana w ciepło.

Odbiór energii cieplnej z energii elektrycznej jest szeroko stosowany od czasów starożytnych w różnych technikach. Grzejniki elektryczne, takie jak grzejniki, podgrzewacze wody, piece elektryczne, lutownice, piece elektryczne itp., A także spawanie elektryczne, lampy żarowe i wiele innych, wykorzystują tę zasadę do generowania ciepła.

Ale w wielu urządzeniach elektrycznych nagrzewanie przez prąd jest szkodliwe: silniki elektryczne, transformatory, przewody, elektromagnesy itp. - w tych urządzeniach, które nie są przeznaczone do wytwarzania ciepła, ogrzewania zmniejsza ich wydajność, zakłóca wydajne działanie, a nawet może prowadzić do sytuacji awaryjnych.

Dla każdego przewodu, w zależności od parametrów środowiskowych, charakterystyczna jest pewna dopuszczalna wartość wartości prądu, przy której przewód nie nagrzewa się zauważalnie.

Na przykład, aby znaleźć dopuszczalne obciążenie prądowe przewodów, użyj parametru „Gęstość prądu”, charakteryzujący prąd na 1 mm kw. powierzchni przekroju tego przewodnika.

Dopuszczalna gęstość prądu dla każdego materiału przewodzącego w określonych warunkach jest różna, zależy od wielu czynników: od rodzaju izolacji, szybkości chłodzenia, temperatury otoczenia, pola przekroju itp.

Na przykład w przypadku maszyn elektrycznych, w których uzwojenia są z reguły wykonane z miedzi, maksymalna dopuszczalna gęstość prądu nie powinna przekraczać 3-6 amperów na mm kwadratowy. W przypadku żarówki, a dokładniej żarnika wolframowego, nie więcej niż 15 amperów na metr kwadratowy.

W przypadku przewodów sieci oświetleniowej i elektroenergetycznej przyjmuje się maksymalną dopuszczalną gęstość prądu w zależności od rodzaju izolacji i pola przekroju.

Jeśli materiałem przewodnika jest miedź, a izolacja jest gumowa, wówczas o powierzchni przekroju poprzecznego wynoszącej na przykład 4 mm kwadratowych dopuszczalna jest gęstość prądu nie większa niż 10,2 ampera na mm kwadratowy, a jeśli przekrój poprzeczny wynosi 50 mm kwadratowych, dopuszczalna gęstość prądu będzie tylko 4,3 ampera na kwadrat mm Jeśli przewody wskazanego obszaru nie mają izolacji, wówczas dopuszczalne gęstości prądu wynoszą odpowiednio 12,5 i 5,6 ampera na mm kwadratowy.

Jaki jest powód obniżenia dopuszczalnej gęstości prądu dla przewodów o większym przekroju? Faktem jest, że przewodniki o znacznym polu przekroju, w przeciwieństwie do przewodów o małych przekrojach, mają większą objętość przewodzącego materiału umieszczonego wewnątrz, i okazuje się, że wewnętrzne warstwy przewodnika same są otoczone warstwami grzewczymi, które zakłócają usuwanie ciepła z wnętrza.

Im większa powierzchnia przewodnika w stosunku do jego objętości, tym większa gęstość prądu, którą przewodnik może wytrzymać bez przegrzania. Nieizolowane przewodniki umożliwiają nagrzewanie do wyższej temperatury, ponieważ ciepło jest przekazywane bezpośrednio z nich do otoczenia, izolacja tego nie utrudnia, a chłodzenie jest szybsze, dlatego dozwolona jest dla nich większa gęstość prądu niż dla przewodów w izolacji.

Jeśli zostanie przekroczony prąd dopuszczalny dla przewodu, zacznie się przegrzewać, aw pewnym momencie jego temperatura będzie nadmierna. Izolacja uzwojenia silnika, generatora lub po prostu okablowania może ulec zwęgleniu lub zapaleniu w tych warunkach, co doprowadzi do zwarcia i pożaru. Jeśli mówimy o nieizolowanym drucie, to w wysokiej temperaturze może po prostu stopić się i przerwać obwód, w którym służy jako przewodnik.

Zazwyczaj zapobiega się przekroczeniu dopuszczalnego prądu. Dlatego w instalacjach elektrycznych zwykle podejmuje się specjalne środki w celu automatycznego odłączenia od źródła zasilania tej części obwodu lub odbiornika elektrycznego, w którym miało to miejsce przetężenie lub zwarcie. Aby to zrobić, użyj wyłączników, bezpieczników i innych urządzeń, które pełnią podobną funkcję - aby przerwać obwód podczas przeciążenia.

Z prawa Joule-Lenza wynika, że ​​przegrzanie przewodnika może wystąpić nie tylko z powodu nadmiaru prądu w jego przekroju, ale także z powodu wyższej rezystancji przewodu. Z tego powodu, dla pełnego i niezawodnego działania każdej instalacji elektrycznej, rezystancja jest niezwykle ważna, szczególnie w miejscach, w których poszczególne przewody są ze sobą połączone.

Jeśli przewody nie są ściśle połączone, jeśli ich kontakt ze sobą nie jest wysokiej jakości, wówczas rezystancja na złączu (tzw. rezystancja styku) będzie wyższa niż w przypadku integralnej części przewodu o tej samej długości.

W wyniku przepływu prądu przez tak złej jakości, niewystarczająco gęste połączenie, miejsce tego połączenia ulegnie przegrzaniu, które jest przepełnione ogniem, przepaleniem przewodników, a nawet pożarem.

Aby tego uniknąć, końce podłączonych przewodów są niezawodnie obrane, ocynowane i wyposażone w końcówki kablowe (lutowane lub tłoczone) lub tuleje, które zapewniają margines rezystancji przejścia w punkcie styku. Te końcówki można mocno przymocować do zacisków maszyny elektrycznej za pomocą śrub.

W przypadku urządzeń elektrycznych zaprojektowanych do włączania i wyłączania prądu podejmowane są również środki w celu zmniejszenia rezystancji przejścia między stykami.

Zobacz także na ten temat:

Jak chronić przewody przed przeciążeniem i zwarciem

Pole przekroju drutów i kabli, w zależności od natężenia prądu, obliczenie wymaganego przekroju kabla