Теплова дія струму

Виділення тепла при проходженні електричного струму

При проходженні електричного струму по провіднику в результаті зіткнень вільних електронів з його атомами і іонами провідник нагрівається.

Кількість тепла, що виділяється в провіднику при проходженні електричного струму, визначається законом Ленца-Джоуля. Його формулюють таким чином. Кількість виділеного тепла Q дорівнює добутку квадрата сили струму I2, опору провідника R і часу t проходження струму через провідник:

Q = I2Rt

Якщо в цій формулі силу струму брати в амперах, опір в Омасі, а час в секундах, то отримаємо кількість виділеного тепла в джоулях. З порівняння формул випливає, що кількість виділеного тепла дорівнює кількості електричної енергії, отриманої даним провідником при проходженні по ньому струму.

Допустима сила і щільність струму

Перетворення електричної енергії в теплову знайшло широке застосування в техніці. Воно відбувається, наприклад, в різних виробничих і побутових електронагрівальних приладах (електричних печах, електроплитах, електричних типах припоїв та ін.), в електричних лампах розжарювання, апаратах для електричного зварювання та ін. Однак у багатьох електричних пристроях, наприклад в електричних машинах і апаратах, електричних дротах і т. д., перетворення електричної енергії в тепло шкідливо, так як це тепло не тільки не використовується, а навпаки, погіршує роботу цих машин і апаратів, а в деяких випадках може викликати пошкодження і аварії.

Кожен провідник залежно від умов, в яких він знаходиться, може пропускати, не перегріваючись, струм силою, що не перевищує деяке допустиме значення. Для визначення струмового навантаження дротів часто користуються поняттям допустимої щільності струму J (сила струму I, яка припадає на 1 мм2 площі s поперечного перерізу провідника):

J = I/s

Допустима щільність струму залежить від матеріалу дрота (мідь або алюміній), виду застосовуваної ізоляції, умов охолодження, площі поперечного перерізу та ін. Наприклад, допустима щільність струму в дротах обмоток електричних машин не повинна перевищувати 3-6 А/мм2, в нитки освітлювальної електричної лампи – 15 А/мм2. У дротах силових і освітлювальних мереж щільність струму може бути різною залежно від площі поперечного перерізу дроту і його ізоляції. Наприклад, для мідних дротів з гумовою ізоляцією і площею поперечного перерізу 4 мм2 допускається щільність струму 10,2 А/мм2, а 50 мм2 – тільки 4,3 А/мм2; для неізольованих дротів тих же площ перетину – 12,5 і 5,6 А/мм2.

Зменшення допустимої щільності струму при збільшенні площі поперечного перерізу дроту пояснюється тим, що в дротах з більшою площею перетину відвід тепла від внутрішніх шарів утруднений, так як самі вони оточені нагрітими шарами. Для неізольованих дротів допускається велика температура нагріву, ніж для ізольованих.

Перевищення допустимого значення сили струму в провіднику може викликати надмірне підвищення температури, в результаті цього ізоляція проводів електродвигунів, генераторів і електричних мереж обвуглюється і навіть горить, що може призвести до короткого замикання та пожежі. Неізольовані ж дроти можуть при високій температурі розплавитися і обірватися.

Для того щоб запобігти неприпустиме збільшення сили струму, у всіх електричних установках повинні вживатися заходи для автоматичного відключення від джерел електричної енергії тих приймачів або ділянок ланцюга, в яких має місце перевантаження або коротке замикання. Для цієї мети в техніці широко використовують плавкі запобіжники, автоматичні вимикачі та інші пристрої.

Нагрівання в перехідному опорі

Підвищене нагрівання провідника, як випливає з закону Ленца-Джоуля, може відбуватися не тільки внаслідок проходження по ньому струму великої сили, але й внаслідок підвищення опору провідника. Тому для надійної роботи електричних установок велике значення має значення опору в місці з’єднання окремих провідників. При поганому електричному контакті і поганому з’єднанні провідник і електричний опір в цих місцях (так зване перехідний опір електричного контакту) сильно зростає, і тут відбувається посилене виділення тепла.

В результаті місце нещільного з’єднання провідників буде являти собою небезпеку в пожежному відношенні, а значне нагрівання може призвести до повного вигоряння погано з’єднаних провідників. Спеціальні заходи вживають і для зменшення перехідного опору між контактами електричних апаратів, які здійснюють включення і виключення струму.

Посилання на основну публікацію