Action thermique du courant, densité de courant et leur influence sur l'échauffement des conducteurs

Par action thermique d'un courant électrique, on entend la libération d'énergie thermique lors du passage du courant à travers un conducteur. Lorsqu'un courant traverse le conducteur, les électrons libres formant le courant entrent en collision avec les ions et les atomes du conducteur, le chauffant.

La quantité de chaleur dégagée dans ce cas peut être déterminée en utilisant Loi Joule-Lenz, qui est formulée comme suit: la quantité de chaleur dégagée lors du passage du courant électrique à travers le conducteur est égale au produit du carré du courant, à la résistance de ce conducteur et au temps nécessaire au courant pour traverser le conducteur.

En prenant le courant en ampères, la résistance en ohms et le temps en secondes, nous obtenons la quantité de chaleur en joules. Et étant donné que le produit du courant et de la résistance sont la tension et que le produit de la tension et du courant est la puissance, il s'avère que la quantité de chaleur libérée dans ce cas est égale à la quantité d'énergie électrique transférée à ce conducteur pendant le passage du courant à travers lui. Autrement dit, l'énergie électrique est convertie en chaleur.

La réception de l'énergie thermique de l'énergie électrique a été largement utilisée depuis l'Antiquité dans diverses techniques. Les radiateurs électriques, tels que les radiateurs, les chauffe-eau, les cuisinières électriques, les fers à souder, les fours électriques, etc., ainsi que le soudage électrique, les lampes à incandescence et bien plus encore, utilisent ce principe pour générer de la chaleur.

Mais dans un grand nombre d'appareils électriques, le chauffage causé par le courant est nocif: moteurs électriques, transformateurs, fils, électro-aimants, etc. - dans ces appareils qui ne sont pas conçus pour produire de la chaleur, du chauffage réduit leur efficacité, interfère avec un fonctionnement efficace et peut même conduire à des situations d'urgence.

Pour tout conducteur, en fonction des paramètres environnementaux, une certaine valeur acceptable de la valeur actuelle est caractéristique à laquelle le conducteur ne chauffe pas sensiblement.

Ainsi, par exemple, pour trouver la charge de courant admissible sur les fils, utilisez le paramètre "Densité actuelle", caractérisant le courant par 1 mm2 de la section de ce conducteur.

La densité de courant admissible pour chaque matériau conducteur dans certaines conditions est différente, elle dépend de nombreux facteurs: du type d'isolation, de la vitesse de refroidissement, de la température ambiante, de la section transversale, etc.

Par exemple, pour les machines électriques, où les enroulements sont en règle générale en cuivre, la densité de courant maximale autorisée ne doit pas dépasser 3 à 6 ampères par mm2. Pour une lampe à incandescence, et plus précisément pour son filament de tungstène, pas plus de 15 ampères par mètre carré.

Pour les fils des réseaux d'éclairage et d'alimentation, la densité de courant maximale admissible est prise en fonction du type d'isolation et de la section transversale.

Si le matériau du conducteur est du cuivre et que l'isolant est du caoutchouc, alors avec une section transversale de, par exemple, 4 mm2, une densité de courant ne dépassant pas 10,2 ampères par mm2 est autorisée, et si la section est de 50 mm2, la densité de courant admissible ne sera que 4,3 ampères par mm carré Si les conducteurs de la zone indiquée ne sont pas isolés, les densités de courant admissibles seront respectivement de 12,5 et 5,6 ampères par mm2.

Quelle est la raison de l'abaissement de la densité de courant admissible pour les conducteurs de plus grande section? Le fait est que les conducteurs ayant une section transversale importante, contrairement aux conducteurs de petite section, ont un plus grand volume de matériau conducteur situé à l'intérieur, et il s'avère que les couches internes du conducteur sont elles-mêmes entourées de couches chauffantes qui interfèrent avec l'évacuation de la chaleur de l'intérieur.

Plus la surface du conducteur est grande par rapport à son volume, plus la densité de courant que le conducteur peut supporter sans surchauffe est élevée. Les conducteurs non isolés permettent de chauffer à une température plus élevée, car la chaleur est transférée directement d'eux à l'environnement, l'isolation n'entrave pas cela et le refroidissement est plus rapide, donc une densité de courant plus élevée leur est permise que pour les conducteurs isolés.

Si dépassé courant admissible pour le conducteur, il commencera à surchauffer, et à un moment donné sa température sera excessive. L'isolation de l'enroulement du moteur, du générateur ou tout simplement du câblage peut se carboniser ou s'enflammer dans ces conditions, ce qui entraînera un court-circuit et un incendie. Si nous parlons d'un fil non isolé, à haute température, il peut simplement fondre et rompre le circuit dans lequel il sert de conducteur.

Le dépassement du courant admissible est généralement évité. Par conséquent, dans les installations électriques, des mesures spéciales sont généralement prises pour déconnecter automatiquement de la source d'alimentation la partie du circuit ou le récepteur électrique dans lequel cela s'est produit sur courant ou court-circuit. Pour ce faire, utilisez des disjoncteurs, des fusibles et d'autres appareils qui remplissent une fonction similaire - pour couper le circuit pendant une surcharge.

Il résulte de la loi de Joule-Lenz qu'une surchauffe d'un conducteur peut se produire non seulement en raison d'un courant excessif à travers sa section, mais également en raison d'une résistance plus élevée du conducteur. Pour cette raison, pour le fonctionnement complet et fiable de toute installation électrique, la résistance est extrêmement importante, en particulier dans les endroits où les conducteurs individuels sont connectés les uns aux autres.

Si les conducteurs ne sont pas connectés étroitement, si leur contact les uns avec les autres n'est pas de haute qualité, alors la résistance à la jonction (ce qu'on appelle résistance de contact) sera plus élevé que pour une section intégrale d'un conducteur de même longueur.

En raison du passage du courant à travers une connexion de si mauvaise qualité et pas suffisamment dense, le lieu de cette connexion surchauffera, ce qui est lourd d'incendie, d'épuisement des conducteurs ou même d'un incendie.

Pour éviter cela, les extrémités des conducteurs connectés sont pelées de manière fiable, étamées et équipées de cosses de câbles (soudées ou pressées) ou de manchons qui offrent une marge pour la résistance de transition au point de contact. Ces embouts peuvent être solidement fixés aux bornes de la machine électrique à l'aide de boulons.

Pour les appareils électriques conçus pour activer et désactiver le courant, des mesures sont également prises pour réduire la résistance de transition entre les contacts.

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