Топлинно действие на ток, плътност на тока и тяхното влияние върху нагряването на проводниците

Под термично действие на електрически ток се разбира отделянето на топлинна енергия по време на преминаването на тока през проводник. Когато ток преминава през проводника, свободните електрони, образуващи тока, се сблъскват с йони и атоми на проводника, като го нагряват.

Количеството топлина, отделено в този случай, може да бъде определено с помощта Закон Джоул-Ленц, която се формулира, както следва: количеството топлина, отделяна по време на преминаването на електрически ток през проводника, е равно на произведението на квадрата на тока, съпротивлението на този проводник и времето, необходимо за преминаването на тока през проводника.

Приемайки тока в ампери, съпротивлението в оми и времето в секунди, получаваме количеството топлина в джаули. И като се има предвид, че произведението на тока и съпротивлението е напрежението, а произведението на напрежението и тока е мощността, се оказва, че количеството топлина, отделено в този случай, е равно на количеството електрическа енергия, предавано на този проводник по време на преминаването на тока през него. Тоест електрическата енергия се преобразува в топлина.

Получаването на топлинна енергия от електрическа енергия се използва широко от древни времена в различни техники. Електрическите нагреватели, като нагреватели, бойлери, електрически печки, запояващи ютии, електрически пещи и др., Както и електрическо заваряване, лампи с нажежаема жичка и много други, използват този принцип за генериране на топлина.

Но в голям брой електрически устройства отоплението, причинено от ток, е вредно: електрически двигатели, трансформатори, проводници, електромагнити и т.н. - в тези устройства, които не са проектирани да получават топлина, отопление намалява тяхната ефективност, пречи на ефективната работа и дори може да доведе до аварийни ситуации.

За всеки проводник, в зависимост от параметрите на околната среда, е характерна определена приемлива стойност на текущата стойност, при която проводникът не се нагрява осезаемо.

Така че, например, за да намерите допустимото токово натоварване на проводниците, използвайте параметъра "Плътност на тока", характеризиращ тока на 1 кв. мм от площта на напречното сечение на този проводник.

Допустимата плътност на тока за всеки проводим материал при определени условия е различна, зависи от много фактори: от вида на изолацията, скоростта на охлаждане, температурата на околната среда, площта на напречното сечение и т.н.

Например, за електрически машини, където намотките са направени по правило от мед, максималната допустима плътност на тока не трябва да надвишава 3-6 ампера на квадратен мм. За лампа с нажежаема жичка и по-точно за нейната волфрамова нишка не повече от 15 ампера на кв. М.

За проводници на осветителни и захранващи мрежи максималната допустима плътност на тока се взема въз основа на вида изолация и площта на напречното сечение.

Ако материалът на проводника е мед, а изолацията е каучук, тогава с площ на напречно сечение, например, 4 квадратни мм, се допуска плътност на тока не повече от 10,2 ампера на квадратен мм, а ако напречното сечение е 50 квадратни мм, допустимата плътност на тока ще бъде само 4,3 ампера на квадратен мм Ако проводниците на посочената зона нямат изолация, тогава допустимите плътности на тока ще бъдат съответно 12,5 и 5,6 ампера на квадратен мм.

Каква е причината за понижаване на допустимата плътност на тока за проводници с по-голямо напречно сечение? Факт е, че проводниците със значителна площ на напречното сечение, за разлика от проводниците с малък участък, имат по-голям обем проводим материал, разположен вътре, и се оказва, че вътрешните слоеве на проводника сами са заобиколени от нагревателни слоеве, които пречат на отделянето на топлина отвътре.

Колкото по-голяма е повърхностната площ на проводника по отношение на неговия обем, толкова по-голяма е плътността на тока, която проводникът може да издържи без прегряване. Неизолираните проводници позволяват нагряване до по-висока температура, тъй като топлината се прехвърля директно от тях в околната среда, изолацията не пречи на това и охлаждането е по-бързо, следователно за тях е разрешена по-голяма плътност на тока, отколкото за изолационни проводници.

При надвишаване ток, допустим за проводника, той ще започне да се прегрява и в един момент температурата му ще бъде прекалено висока. Изолацията на намотката на електродвигател, генератор или просто окабеляване може да стане овъглена или да се запали при такива условия, което ще доведе до късо съединение и пожар. Ако говорим за неизолирана жица, тогава при висока температура тя може просто да се стопи и да прекъсне веригата, в която служи като проводник.

Превишаването на допустимия ток обикновено се предотвратява. Следователно в електрическите инсталации обикновено се предприемат специални мерки за автоматично изключване от източника на захранване тази част от веригата или електрическия приемник, в който се е случило над ток или късо съединение, За да направите това, използвайте прекъсвачи, предпазители и други устройства, които изпълняват подобна функция - да прекъснете веригата по време на претоварване.

От закона на Джоул-Ленц следва, че прегряване на проводник може да възникне не само поради излишък на ток през напречното му сечение, но и поради по-голямо съпротивление на проводника. Поради тази причина за пълната и надеждна работа на всяка електрическа инсталация съпротивлението е изключително важно, особено в местата, където отделните проводници са свързани помежду си.

Ако проводниците не са свързани плътно, ако контактът им помежду си не е висококачествен, тогава съпротивлението на кръстовището (т.нар. контактно съпротивление) ще бъде по-висока, отколкото за интегрална секция на проводник със същата дължина.

В резултат на преминаването на ток през такава некачествена, не достатъчно плътна връзка, мястото на тази връзка ще се прегрее, което е изпълнено с огън, изгаряне на проводници или дори пожар.

За да се избегне това, краищата на свързаните проводници са надеждно отлепени, калайдисани и оборудвани с кабелни втулки (споени или пресовани) или втулки, които осигуряват запас за преходното съпротивление в контактната точка. Тези съвети могат да бъдат плътно фиксирани към клемите на електрическа машина с помощта на болтове.

Към електрически устройства, предназначени за включване и изключване на тока, се предприемат и мерки за намаляване на съпротивлението на прехода между контактите.

Вижте също по тази тема:

Как да защитим окабеляването от претоварване и късо съединение

Площ на напречното сечение на проводници и кабели, в зависимост от силата на тока, изчисляване на необходимото напречно сечение на кабела