Ação térmica da corrente, densidade da corrente e sua influência no aquecimento de condutores

Pela ação térmica de uma corrente elétrica, entende-se a liberação de energia térmica durante a passagem de corrente através de um condutor. Quando uma corrente passa pelo condutor, os elétrons livres que formam a corrente colidem com os íons e átomos do condutor, aquecendo-o.

A quantidade de calor liberado neste caso pode ser determinada usando Direito de Joule-Lenz, que é formulado da seguinte maneira: a quantidade de calor liberada durante a passagem da corrente elétrica através do condutor é igual ao produto do quadrado da corrente, a resistência desse condutor e o tempo que leva para a corrente passar pelo condutor.

Tomando a corrente em amperes, a resistência em ohms e o tempo em segundos, obtemos a quantidade de calor em joules. E considerando que o produto da corrente e a resistência são a tensão, e o produto da tensão e a corrente é a potência, verifica-se que a quantidade de calor liberada neste caso é igual à quantidade de energia elétrica transferida para esse condutor durante a passagem de corrente por ele. Ou seja, a energia elétrica é convertida em calor.

O recebimento de energia térmica da energia elétrica tem sido amplamente utilizado desde os tempos antigos em várias técnicas. Aquecedores elétricos, como aquecedores, aquecedores de água, fogões elétricos, ferros de solda, fornos elétricos, etc., assim como solda elétrica, lâmpadas incandescentes e muito mais, usam esse princípio para gerar calor.

Porém, em um grande número de dispositivos elétricos, o aquecimento causado pela corrente é prejudicial: motores elétricos, transformadores, fios, eletroímãs etc. - nesses dispositivos que não são projetados para receber calor, aquecimento reduz sua eficiência, interfere na operação eficiente e pode até levar a situações de emergência.

Para qualquer condutor, dependendo dos parâmetros ambientais, um certo valor aceitável do valor atual é característico no qual o condutor não aquece visivelmente.

Assim, por exemplo, para encontrar a carga de corrente permitida nos fios, use o parâmetro "Densidade atual", caracterizando a corrente por 1 mm² da área da seção transversal desse condutor.

A densidade de corrente permitida para cada material condutor sob certas condições é diferente, depende de muitos fatores: tipo de isolamento, taxa de resfriamento, temperatura ambiente, área de seção transversal, etc.

Por exemplo, para máquinas elétricas, onde os enrolamentos são feitos, em regra, de cobre, a densidade máxima permitida de corrente não deve exceder de 3 a 6 amperes por mm quadrado. Para uma lâmpada incandescente, e mais precisamente para seu filamento de tungstênio, não mais que 15 amperes por metro quadrado.

Para fios de redes de iluminação e energia, a densidade de corrente máxima permitida é calculada com base no tipo de isolamento e na área de seção transversal.

Se o material do condutor for de cobre e o isolamento for de borracha, com uma área de seção transversal de, por exemplo, 4 mm quadrados, uma densidade de corrente não superior a 10,2 amperes por mm quadrado é permitida e, se a seção transversal for de 50 mm quadrados, a densidade de corrente permitida será apenas 4,3 amperes por mm quadrado Se os condutores da área indicada não tiverem isolamento, as densidades de corrente permitidas serão de 12,5 e 5,6 amperes por mm quadrado, respectivamente.

Qual o motivo da redução da densidade de corrente permitida para condutores de uma seção transversal maior? O fato é que os condutores com uma área de seção transversal significativa, diferentemente dos condutores de seção pequena, têm um volume maior de material condutor localizado no interior, e acontece que as camadas internas do condutor são rodeadas por camadas de aquecimento que interferem na remoção de calor do interior.

Quanto maior a área de superfície do condutor em relação ao seu volume, maior a densidade de corrente que o condutor pode suportar sem superaquecer. Os condutores não isolados permitem o aquecimento a uma temperatura mais alta, uma vez que o calor é transferido diretamente deles para o ambiente, o isolamento não impede isso e o resfriamento é mais rápido; portanto, é permitida uma densidade de corrente mais alta do que para os condutores isolados.

Se excedido corrente permitida para o condutor, começará a superaquecer e, em algum momento, sua temperatura será excessiva. O isolamento do enrolamento de um motor elétrico, gerador ou apenas uma fiação pode ficar carbonizado ou incendiar-se nessas condições, o que levará a um curto-circuito e incêndio. Se falamos de um fio não isolado, em alta temperatura, ele pode simplesmente derreter e interromper o circuito no qual serve como condutor.

A sobrecorrente é geralmente evitada. Portanto, em instalações elétricas, geralmente são tomadas medidas especiais para desconectar automaticamente da fonte de energia a parte do circuito ou o receptor elétrico em que ocorreu sobre corrente ou curto-circuito. Para fazer isso, use disjuntores, fusíveis e outros dispositivos que possuam uma função semelhante - para interromper o circuito durante sobrecarga.

Segue-se da lei de Joule-Lenz que o superaquecimento de um condutor pode ocorrer não apenas devido ao excesso de corrente através de sua seção transversal, mas também devido a uma maior resistência do condutor. Por esse motivo, para a operação completa e confiável de qualquer instalação elétrica, a resistência é extremamente importante, especialmente nos locais onde os condutores individuais são conectados.

Se os condutores não estiverem conectados firmemente, se o contato entre eles não for de alta qualidade, a resistência na junção (o chamado resistência de contato) será maior do que para uma seção integral de um condutor do mesmo comprimento.

Como resultado da passagem de corrente através de uma conexão de baixa qualidade e não suficientemente densa, o local dessa conexão superaquecerá, repleto de fogo, queima de condutores ou mesmo um incêndio.

Para evitar isso, as extremidades dos condutores conectados são descascadas, revestidas de estanho e equipadas com terminais de cabos (soldados ou prensados) ou luvas que fornecem uma margem para a resistência de transição no ponto de contato. Essas dicas podem ser firmemente fixadas aos terminais da máquina elétrica usando parafusos.

Para dispositivos elétricos projetados para ligar e desligar a corrente, também são tomadas medidas para reduzir a resistência de transição entre os contatos.

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