Toplinsko djelovanje struje, gustoća struje i njihov utjecaj na zagrijavanje vodiča

Pod toplinskim djelovanjem električne struje podrazumijeva se oslobađanje toplinske energije tijekom prolaska struje kroz vodič. Kad struja prođe kroz vodič, slobodni elektroni koji tvore struju sudaraju se s ionima i atomima vodiča, zagrijavajući ga.

Količina oslobođene topline u ovom slučaju može se odrediti pomoću Joule-Lenz Law, koja je formulirana na sljedeći način: količina topline oslobođena tijekom prolaska električne struje kroz vodič jednaka je proizvodu kvadrata struje, otpora ovog vodiča i vremenu potrebnom da struja prođe kroz vodič.

Uzimajući struju u amperima, otpor u ohima i vrijeme u sekundama, dobivamo količinu topline u džulovima. A s obzirom na to da su produkt struje i otpora napon, a proizvod napona i struje snaga, ispada da je količina topline oslobođena u ovom slučaju jednaka količini električne energije koja se prenosi ovom vodiču tijekom prolaska struje kroz njega. Odnosno, električna energija se pretvara u toplinu.

Primanje toplinske energije iz električne energije široko se koristi od davnina u raznim tehnikama. Električni grijači, kao što su grijači, grijači za vodu, električni štednjaci, glačala za lemljenje, električne peći itd., Kao i električno zavarivanje, žarulje sa žarnom niti i još mnogo toga, koriste ovo načelo za generiranje topline.

Ali u velikom broju električnih uređaja zagrijavanje uzrokovano strujom je štetno: električni motori, transformatori, žice, elektromagneti itd. - u tim uređajima koji nisu dizajnirani za primanje topline, grijanja smanjuje njihovu učinkovitost, ometa učinkovit rad i može čak dovesti do izvanrednih situacija.

Za bilo koji provodnik, ovisno o parametrima okoliša, karakteristična je određena prihvatljiva vrijednost trenutne vrijednosti pri kojoj se vodič ne primjećuje zagrijavati.

Tako, na primjer, da biste pronašli dopušteno strujno opterećenje na žicama, upotrijebite parametar "Gustoća struje", koja karakterizira struju po 1 kvadratnom mm površine poprečnog presjeka ovog vodiča.

Dopuštena gustoća struje za svaki vodljivi materijal pod određenim uvjetima je različita, ovisi o mnogim čimbenicima: o vrsti izolacije, brzini hlađenja, temperaturi okoline, području poprečnog presjeka itd.

Na primjer, za električne strojeve, gdje su namota izrađena u pravilu od bakra, najveća dopuštena gustoća struje ne smije prelaziti 3-6 ampera po kvadratnom mm. Za žarulju sa žarnom niti, točnije za volframovu žarulju, ne više od 15 ampera po kvadratnom metru.

Za žice rasvjetnih i energetskih mreža, najveća dopuštena gustoća struje uzima se na temelju vrste izolacije i područja poprečnog presjeka.

Ako je materijal vodiča bakar, a izolacija guma, tada s površinom presjeka od, primjerice, 4 četvornih mm, dopuštena je gustoća struje ne više od 10,2 ampera na kvadratni mm, a ako je presjek 50 kvadratnih mm, dopuštena gustoća struje bit će samo 4,3 ampera po kvadratnom mm Ako vodiči navedenog područja nemaju izolaciju, tada će dopuštena gustoća struje biti 12,5 odnosno 5,6 ampera po kvadratnom mm.

Koji je razlog smanjenja dopuštene gustoće struje za vodiče većeg presjeka? Činjenica je da vodiči sa značajnim površinskim presjekom, za razliku od vodiča malog presjeka, imaju veći volumen vodljivog materijala koji se nalazi unutra, a ispada da su unutarnji slojevi vodiča okruženi grijaćim slojevima koji ometaju uklanjanje topline iznutra.

Što je veća površina vodiča s obzirom na njegov volumen, veća je gustoća struje koju provodnik može podnijeti bez pregrijavanja. Neizolirani vodiči omogućuju zagrijavanje na višu temperaturu, budući da se toplina prenosi izravno iz njih u okoliš, izolacija to ne ometa, a hlađenje je brže, pa je za njih dopuštena veća gustoća struje nego za izolacijske vodiče.

Ako se premaši struja dopuštena za provodnik, počet će se pregrijavati, a u nekom će trenutku njegova temperatura biti prekomjerna. Izolacija namotaja motora, generatora ili samo ožičenja može se pod tim uvjetima ugasiti ili zapaliti, što će dovesti do kratkog spoja i požara. Ako govorimo o neizoliranoj žici, onda se pri visokoj temperaturi može jednostavno rastopiti i prekinuti krug u kojem služi kao provodnik.

Prekoračenje dopuštene struje obično se sprječava. Stoga se u električnim instalacijama obično poduzimaju posebne mjere za automatsko isključivanje iz izvora napajanja onaj dio kruga ili električni prijemnik u kojem se dogodio preko struje ili kratkog spoja, Da biste to učinili, koristite prekidače, osigurače i druge uređaje koji imaju sličnu funkciju - za prekid kruga tijekom preopterećenja.

Iz Joule-Lenzovog zakona proizlazi da se pregrijavanje kondukta može dogoditi ne samo zbog prekomjerne struje kroz njegov presjek, već i zbog većeg otpora vodiča. Iz tog razloga, za potpun i pouzdan rad bilo koje električne instalacije, otpor je izuzetno važan, posebno na mjestima gdje su pojedini vodiči međusobno spojeni.

Ako vodiči nisu spojeni čvrsto, ako njihov međusobni kontakt nije kvalitetan, tada je otpor na spoju (tzv. kontaktni otpor) bit će veći nego za sastavni presjek vodiča iste duljine.

Kao rezultat prolaska struje kroz tako nekvalitetan, ne dovoljno gust priključak, mjesto ove veze pregrijavat će se, što je kruto vatrom, izgaranjem vodiča ili čak požarom.

Da bi se to izbjeglo, krajevi priključenih vodiča pouzdani su, popločani i opremljeni kabelskim nosačima (lemljeni ili prešani) ili čahurama koje pružaju rub prijelaznog otpora na mjestu kontakta. Ovi se savjeti mogu čvrsto pričvrstiti vijcima na terminale električnog stroja.

Za električne uređaje dizajnirane za uključivanje i isključivanje struje, poduzimaju se i mjere za smanjenje prijelaznog otpora između kontakata.

Pogledajte i ovu temu:

Kako zaštititi ožičenje od preopterećenja i kratkog spoja

Površina poprečnog presjeka žica i kabela, ovisno o trenutnoj jakosti, proračun potrebnog presjeka kabela