Θερμική δράση ρεύματος, πυκνότητα ρεύματος και επιρροή της στη θέρμανση των αγωγών

Με την θερμική δράση ενός ηλεκτρικού ρεύματος νοείται η απελευθέρωση θερμικής ενέργειας κατά τη διέλευση του ρεύματος μέσω ενός αγωγού. Όταν ένα ρεύμα διέρχεται από τον αγωγό, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που σχηματίζουν το ρεύμα συγκρούονται με τα ιόντα και τα άτομα του αγωγού, και το θερμαίνουν.

Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας Νόμος Joule-Lenz, η οποία διατυπώνεται ως εξής: η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του αγωγού είναι ίση με το προϊόν του τετραγώνου του ρεύματος, την αντίσταση αυτού του αγωγού και τον χρόνο που χρειάζεται για να περάσει το ρεύμα μέσω του αγωγού.

Λαμβάνοντας το ρεύμα σε amperes, την αντίσταση σε ohms και τον χρόνο σε δευτερόλεπτα, λαμβάνουμε την ποσότητα θερμότητας σε joules. Και λαμβάνοντας υπόψη ότι το προϊόν του ρεύματος και της αντίστασης είναι η τάση και ότι το προϊόν της τάσης και του ρεύματος είναι η ισχύς, αποδεικνύεται ότι η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται σε αυτή την περίπτωση είναι ίση με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μεταφέρεται σε αυτόν τον αγωγό κατά τη διέλευση του ρεύματος διαμέσου αυτού. Δηλαδή, η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα.

Η λήψη θερμικής ενέργειας από ηλεκτρική ενέργεια έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως από τους αρχαίους χρόνους σε διάφορες τεχνικές. Οι ηλεκτρικοί θερμοσίφωνες, όπως θερμαντήρες, θερμοσίφωνες, ηλεκτρικές σόμπες, ηλεκτρικά σίδερα, ηλεκτρικοί φούρνοι κλπ., Καθώς και ηλεκτρικές συγκολλήσεις, λαμπτήρες πυρακτώσεως και πολλά άλλα, χρησιμοποιούν αυτή την αρχή για τη δημιουργία θερμότητας.

Αλλά σε μεγάλο αριθμό ηλεκτρικών συσκευών, η θέρμανση που προκαλείται από το ρεύμα είναι επιβλαβής: ηλεκτροκινητήρες, μετασχηματιστές, καλώδια, ηλεκτρομαγνήτες κλπ. - σε αυτές τις συσκευές που δεν έχουν σχεδιαστεί για να δέχονται θερμότητα, θέρμανση μειώνει την αποτελεσματικότητά τους, παρεμβαίνει στην αποτελεσματική λειτουργία και μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης.

Για οποιονδήποτε αγωγό, ανάλογα με τις περιβαλλοντικές παραμέτρους, μια συγκεκριμένη αποδεκτή τιμή της τρέχουσας τιμής είναι χαρακτηριστική, στην οποία ο αγωγός δεν θερμαίνεται αισθητά.

Για παράδειγμα, για να βρείτε το επιτρεπτό φορτίο ρεύματος στα καλώδια, χρησιμοποιήστε την παράμετρο "Πυκνότητα ρεύματος", που χαρακτηρίζει το ρεύμα ανά 1 τετραγωνικό χιλιοστό του εμβαδού διατομής αυτού του αγωγού.

Η επιτρεπόμενη πυκνότητα ρεύματος για κάθε αγώγιμο υλικό υπό ορισμένες συνθήκες είναι διαφορετική, εξαρτάται από πολλούς παράγοντες: τον τύπο μόνωσης, τον ρυθμό ψύξης, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, την επιφάνεια διατομής κλπ.

Για παράδειγμα, για τις ηλεκτρικές μηχανές, όπου οι περιελίξεις κατασκευάζονται κατά κανόνα από χαλκό, η μέγιστη επιτρεπτή πυκνότητα ρεύματος δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 3-6 αμπέρ ανά τετραγωνικό χιλιοστό. Για έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως, και ειδικότερα για το νήμα του βολφραμίου, όχι περισσότερο από 15 αμπέρ ανά τετραγωνικό μέτρο.

Για τα καλώδια των δικτύων φωτισμού και ηλεκτρικής ενέργειας, η μέγιστη επιτρεπτή πυκνότητα ρεύματος λαμβάνεται με βάση τον τύπο της μόνωσης και την περιοχή της εγκάρσιας τομής.

Εάν το υλικό του αγωγού είναι χαλκός και η μόνωση είναι ελαστικό, τότε με διατομή π.χ. 4 τετραγωνικών χιλιοστών επιτρέπεται πυκνότητα ρεύματος που δεν υπερβαίνει τα 10,2 αμπέρ ανά τετραγωνικό χιλιοστό και εάν η διατομή είναι 50 τετραγωνικά χιλιοστά, η επιτρεπόμενη πυκνότητα ρεύματος θα είναι μόνο 4.3 αμπέρ ανά τετραγωνικό χιλιοστό Εάν οι αγωγοί της υποδεικνυόμενης περιοχής δεν έχουν μόνωση, τότε οι επιτρεπόμενες πυκνότητες ρεύματος θα είναι 12,5 και 5,6 αμπέρ ανά τετραγωνικό mm, αντίστοιχα.

Ποιος είναι ο λόγος για τον περιορισμό της επιτρεπόμενης πυκνότητας ρεύματος για τους αγωγούς μεγαλύτερης διατομής; Το γεγονός είναι ότι οι αγωγοί με σημαντική επιφάνεια εγκάρσιας διατομής, σε αντίθεση με τους αγωγούς μικρού τμήματος, έχουν μεγαλύτερο όγκο αγώγιμου υλικού τοποθετημένο μέσα και αποδεικνύεται ότι τα εσωτερικά στρώματα του αγωγού περιβάλλουν τα ίδια τα θερμαντικά στρώματα που παρεμποδίζουν την απομάκρυνση της θερμότητας από το εσωτερικό.

Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του αγωγού σε σχέση με τον όγκο του, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ρεύματος που μπορεί να αντέξει ο αγωγός χωρίς υπερθέρμανση. Οι μη μονωμένοι αγωγοί επιτρέπουν τη θέρμανση σε υψηλότερη θερμοκρασία, καθώς η θερμότητα μεταφέρεται απευθείας από αυτές στο περιβάλλον, η μόνωση δεν παρεμποδίζει αυτό και η ψύξη είναι ταχύτερη, επομένως επιτρέπεται μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος απ 'ό, τι στους αγωγούς της μόνωσης.

Σε περίπτωση υπέρβασης επιτρέπεται για τον αγωγό, θα αρχίσει να υπερθερμαίνεται και σε κάποια στιγμή η θερμοκρασία του θα είναι υπερβολική. Η μόνωση της περιέλιξης του κινητήρα, της γεννήτριας ή απλώς η καλωδίωση, μπορεί να συσσωρεύσει ή να καεί υπό τέτοιες συνθήκες, γεγονός που θα οδηγήσει σε βραχυκύκλωμα και φωτιά. Αν μιλάμε για ένα μη μονωμένο σύρμα, στη συνέχεια σε υψηλή θερμοκρασία μπορεί απλά να λιώσει και να σπάσει το κύκλωμα στο οποίο χρησιμεύει ως αγωγός.

Η υπέρβαση του επιτρεπόμενου ρεύματος συνήθως εμποδίζεται. Επομένως, στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, συνήθως λαμβάνονται ειδικά μέτρα για την αυτόματη αποσύνδεση από την πηγή ισχύος εκείνου του μέρους του κυκλώματος ή του ηλεκτρικού δέκτη στο οποίο συνέβη πάνω από το ρεύμα ή βραχυκύκλωμα. Για να το κάνετε αυτό, χρησιμοποιήστε ασφαλειοδιακόπτες, ασφάλειες και άλλες συσκευές που έχουν παρόμοια λειτουργία - για να σπάσετε το κύκλωμα κατά τη διάρκεια της υπερφόρτωσης.

Από τον νόμο Joule-Lenz προκύπτει ότι η υπερθέρμανση ενός αγωγού μπορεί να συμβεί όχι μόνο λόγω υπερβολικού ρεύματος μέσω της διατομής του, αλλά και λόγω της υψηλότερης αντίστασης του αγωγού. Για το λόγο αυτό, για την πλήρη και αξιόπιστη λειτουργία οποιασδήποτε ηλεκτρικής εγκατάστασης, η αντίσταση είναι εξαιρετικά σημαντική, ειδικά στις θέσεις όπου οι ατομικοί αγωγοί συνδέονται μεταξύ τους.

Εάν οι αγωγοί δεν είναι καλά συνδεδεμένοι, εάν η επαφή τους μεταξύ τους δεν είναι καλή, τότε η αντίσταση στη διασταύρωση (το λεγόμενο αντοχή επαφής) θα είναι υψηλότερη από ότι για ένα ενιαίο τμήμα ενός αγωγού του ίδιου μήκους.

Ως αποτέλεσμα της διέλευσης του ρεύματος μέσω μιας τόσο κακής ποιότητας, όχι αρκούντως πυκνής σύνδεσης, ο χώρος αυτής της σύνδεσης θα υπερθερμανθεί, ο οποίος είναι γεμάτος με φωτιά, καύση αγωγών ή ακόμα και φωτιά.

Για να αποφευχθεί αυτό, τα άκρα των συνδεδεμένων αγωγών είναι αξιόπιστα αποφλοιωμένα, επικασσιτερωμένα και εξοπλισμένα με ωτίδες καλωδίων (συγκολλημένα ή συμπιεσμένα) ή μανίκια που παρέχουν ένα περιθώριο για την αντίσταση μετάβασης στο σημείο επαφής. Αυτά τα άκρα μπορούν να στερεωθούν σφιχτά στους ακροδέκτες μιας ηλεκτρικής μηχανής χρησιμοποιώντας βίδες.

Σε ηλεκτρικές συσκευές σχεδιασμένες να ενεργοποιούν και να απενεργοποιούν το ρεύμα, λαμβάνονται επίσης μέτρα για τη μείωση της αντίστασης μετάβασης μεταξύ των επαφών.

Δείτε επίσης σχετικά με αυτό το θέμα:

Πώς να προστατεύσετε την καλωδίωση από υπερφόρτωση και βραχυκύκλωμα

Περιοχή διατομής καλωδίων και καλωδίων, ανάλογα με την ισχύ του ρεύματος, τον υπολογισμό της απαιτούμενης διατομής καλωδίου