Tepelné působení proudu, proudová hustota a jejich vliv na ohřev vodičů

Tepelným působením elektrického proudu se rozumí uvolňování tepelné energie během průchodu proudu vodičem. Když proud prochází dirigentem, volné elektrony tvořící proud se srazí s ionty a atomy dirigenta a zahřejí jej.

Množství uvolněného tepla může být v tomto případě stanoveno pomocí Joule-Lenzův zákon, který je formulován takto: množství tepla uvolněného během průchodu elektrického proudu vodičem je rovno součinu součinu čtverce proudu, odporu tohoto vodiče a času, který je potřebný k tomu, aby proud prošel vodičem.

Když vezmeme proud v ampérech, odpor v ohmech a čas v sekundách, dostaneme množství tepla v joulech. A vzhledem k tomu, že součin proudu a odporu je napětí a součinem napětí a proudu je síla, ukazuje se, že množství uvolněného tepla je v tomto případě rovno množství elektrické energie přenesené do tohoto vodiče během průchodu proudu skrz něj. To znamená, že elektrická energie je přeměněna na teplo.

Příjem tepelné energie z elektrické energie se od starověku často používá v různých technikách. Elektrické ohřívače, jako jsou ohřívače, ohřívače vody, elektrické sporáky, páječky, elektrické pece atd., Jakož i elektrické svařování, žárovky a mnoho dalšího, používají tento princip k výrobě tepla.

Ale u velkého počtu elektrických zařízení je zahřívání způsobené proudem škodlivé: elektrické motory, transformátory, dráty, elektromagnety atd. - v těchto zařízeních, která nejsou navržena pro příjem tepla, topení snižuje jejich účinnost, ruší efektivní provoz a může dokonce vést k nouzovým situacím.

U každého vodiče je v závislosti na parametrech prostředí charakteristická určitá přijatelná hodnota aktuální hodnoty, při které se vodič zřetelně nezahřívá.

Například pro zjištění přípustného proudu na vodičích použijte parametr "Aktuální hustota", charakterizující proud na 1 mm2 plochy průřezu tohoto vodiče.

Přípustná proudová hustota pro každý vodivý materiál je za určitých podmínek odlišná, záleží na mnoha faktorech: na typu izolace, rychlosti chlazení, okolní teplotě, ploše průřezu atd.

Například u elektrických strojů, kde jsou vinutí zpravidla vyrobena z mědi, by maximální přípustná proudová hustota neměla překročit 3 až 6 ampér na čtvereční mm. Pro žárovku a přesněji pro její wolframové vlákno nejvýše 15 ampér na metr čtvereční.

U vodičů světelných a energetických sítí se maximální přípustná hustota proudu stanoví na základě typu izolace a plochy průřezu.

Pokud je materiálem vodiče měď a izolace je pryž, pak s průřezovou plochou například 4 čtvereční mm je přípustná proudová hustota nejvýše 10,2 ampér na čtvereční mm, a pokud je průřez 50 čtverečních mm, bude přípustná proudová hustota pouze 4,3 ampér na čtvereční mm Pokud vodiče označené oblasti nemají izolaci, pak přípustné proudové hustoty budou 12,5 a 5,6 ampér na čtvereční mm.

Jaký je důvod snížení přípustné proudové hustoty pro vodiče s větším průřezem? Skutečnost je taková, že vodiče s významnou průřezovou plochou, na rozdíl od vodičů s malými průřezy, mají uvnitř uvnitř větší objem vodivého materiálu, a ukázalo se, že vnitřní vrstvy vodiče jsou samy obklopeny topnými vrstvami, které brání odvádění tepla zevnitř.

Čím větší je povrchová plocha vodiče s ohledem na jeho objem, tím větší je proudová hustota, kterou vodič dokáže vydržet bez přehřátí. Neizolované vodiče umožňují ohřev na vyšší teplotu, protože teplo je přenášeno přímo z nich do okolního prostředí, izolace tomu nebrání a chlazení je rychlejší, proto je pro ně povolena vyšší proudová hustota než pro vodiče v izolaci.

Pokud je překročen proud přípustný pro vodič, začne se přehřívat a v určitém okamžiku bude jeho teplota příliš vysoká. Izolace vinutí elektrického motoru, generátoru, nebo jen zapojení, se může za takových podmínek spálit nebo vznítit, což povede ke zkratu a požáru. Pokud mluvíme o neizolovaném drátu, pak se může při vysoké teplotě jednoduše roztavit a přerušit obvod, ve kterém slouží jako vodič.

Překročení povoleného proudu je obvykle zabráněno. Proto se v elektrických instalacích obvykle přijímají zvláštní opatření, aby se automaticky odpojil od zdroje energie ta část obvodu nebo elektrický přijímač, ve které k tomu došlo. nad proudem nebo zkratem. K tomu použijte jističe, pojistky a další zařízení, která mají podobnou funkci - přerušit obvod během přetížení.

Z Joule-Lenzova zákona vyplývá, že k přehřátí vodiče může dojít nejen kvůli nadměrnému proudu skrz jeho průřez, ale také kvůli vyššímu odporu vodiče. Z tohoto důvodu je pro plný a spolehlivý provoz elektrické instalace mimořádně důležitý odpor, zejména v místech, kde jsou jednotlivé vodiče vzájemně propojeny.

Pokud nejsou vodiče pevně spojeny, pokud jejich vzájemný kontakt není dobrý, pak odpor na spoji (tzv. kontaktní odpor) bude vyšší než u integrální části vodiče stejné délky.

V důsledku průchodu proudu tak špatnou kvalitou, nedostatečně hustým spojením, se místo tohoto spojení přehřeje, což je plné ohně, vyhoření vodičů nebo dokonce ohně.

Aby se tomu zabránilo, jsou konce připojených vodičů spolehlivě loupané, pocínované a vybavené kabelovými oky (pájenými nebo lisovanými) nebo objímkami, které poskytují okraj pro přechodový odpor v kontaktním bodě. Tyto hroty mohou být pevně připevněny ke svorkám elektrického stroje pomocí šroubů.

U elektrických zařízení určených k zapnutí a vypnutí proudu jsou také přijata opatření ke snížení přechodového odporu mezi kontakty.

Viz také toto téma:

Jak chránit kabeláž před přetížením a zkratem

Průřez vodičů a kabelů, v závislosti na aktuální síle, výpočet požadovaného průřezu kabelu