Termisk verkan av ström, strömtäthet och deras påverkan på uppvärmning av ledare

Med termisk verkan av en elektrisk ström förstås frisläppandet av termisk energi under strömmen genom en ledare. När en ström passerar genom ledaren, kolliderar de fria elektronerna som bildar strömmen med ledarnas joner och atomer och värmer upp den.

Mängden frisläppt i detta fall kan bestämmas med hjälp av Joule-Lenz lag, som är formulerad enligt följande: mängden värme som frigörs under passering av elektrisk ström genom ledaren är lika med produkten från kvadratet på strömmen, ledarens motstånd och den tid strömmen passerar genom ledaren.

Genom att ta strömmen i ampère, motståndet i ohm och tiden i sekunder får vi mängden värme i joule. Och med tanke på att produkten från strömmen och motståndet är spänningen, och produkten av spänningen och strömmen är effekten, visar det sig att mängden värme som frigörs i detta fall är lika med mängden elektrisk energi som överförs till denna ledare under strömmen genom den. Det vill säga elektrisk energi omvandlas till värme.

Mottagandet av termisk energi från elektrisk energi har använts i stor utsträckning sedan antiken i olika tekniker. Elektriska värmare, såsom värmare, vattenvärmare, elektriska spisar, lödkolvar, elektriska ugnar etc., samt elektrisk svetsning, glödlampor och mycket mer, använder denna princip för att generera värme.

Men i ett stort antal elektriska apparater är uppvärmning orsakad av ström skadligt: ​​elmotorer, transformatorer, ledningar, elektromagneter etc. - i dessa enheter som inte är konstruerade för att producera värme, värme minskar deras effektivitet, stör effektiv drift och kan till och med leda till nödsituationer.

För alla ledare, beroende på miljöparametrarna, är ett visst godtagbart värde för det aktuella värdet karakteristiskt vid vilket ledaren inte märks värms upp.

Så, till exempel, för att hitta den tillåtna strömbelastningen på ledningarna, använd parametern "Strömtäthet", kännetecknar strömmen per 1 kvadratmeter av tvärsnittsarean för denna ledare.

Den tillåtna strömtätheten för varje ledande material under vissa förhållanden är olika, det beror på många faktorer: av typen av isolering, kylningshastighet, omgivningstemperatur, tvärsnittsarea etc.

Till exempel för elektriska maskiner, där lindningarna i regel är gjorda av koppar, bör den maximalt tillåtna strömtätheten inte överstiga 3-6 ampere per kvadrat mm. För en glödlampa, och mer exakt för sin volframtråd, inte mer än 15 ampère per kvadratmeter.

För trådar till belysning och kraftnät tas den maximala tillåtna strömtätheten baserat på typen av isolering och tvärsnittsarea.

Om materialet i ledaren är koppar, och isoleringen är gummi, med en tvärsnittsarea på exempelvis 4 kvadrat mm, tillåts en strömtäthet på högst 10,2 ampère per kvadrat mm, och om tvärsnittet är 50 kvadrat mm kommer den tillåtna strömtätheten endast att vara 4,3 ampere per kvadrat mm Om ledarna i det angivna området inte har isolering, kommer de tillåtna strömtätheterna att vara 12,5 respektive 5,6 ampere per kvadrat mm.

Vad är skälet för att sänka den tillåtna strömtätheten för ledare med ett större tvärsnitt? Faktum är att ledare med ett betydande tvärsnittsareal, till skillnad från småsektionsledare, har en större volym ledande material som finns inuti, och det visar sig att ledarens inre skikt själva är omgivna av värmeskikt som stör störningen av värme från insidan.

Ju större ytarea hos ledaren med avseende på dess volym, desto högre strömtäthet kan ledaren tåla utan överhettning. Icke-isolerade ledare tillåter uppvärmning till en högre temperatur, eftersom värme överförs direkt från dem till miljön, isolering hindrar inte detta, och kylning är snabbare, därför tillåts en högre strömtäthet för dem än för ledare i isolering.

Om överskridits ström tillåtet för ledaren, kommer det att börja överhettas, och vid någon tidpunkt kommer temperaturen att vara överdriven. Isolering av motorns lindning, generator eller bara ledningar kan bli förkolat eller antända under dessa förhållanden, vilket kommer att leda till kortslutning och brand. Om vi ​​talar om en oisolerad tråd, kan den vid hög temperatur helt enkelt smälta och bryta den krets där den fungerar som ledare.

Överskridande av den tillåtna strömmen förhindras vanligtvis. I elektriska installationer vidtas därför speciella åtgärder för att automatiskt koppla bort från strömkällan till den del av kretsen eller den elektriska mottagaren där den hände över ström eller kortslutning. För att göra detta, använd brytare, säkringar och andra enheter som har en liknande funktion - för att bryta kretsen under överbelastning.

Det följer av Joule-Lenz-lagen att överhettning av en ledare kan inträffa inte bara på grund av överskottsström genom dess tvärsnitt, utan också på grund av ett högre motstånd hos ledaren. Av denna anledning, för full och pålitlig drift av alla elektriska installationer, är motstånd extremt viktigt, särskilt på de platser där enskilda ledare är anslutna till varandra.

Om ledarna inte är anslutna tätt, om deras kontakt med varandra inte är av hög kvalitet, då motståndet vid korsningen (den så kallade kontaktmotstånd) kommer att vara högre än för en integrerad sektion av en ledare med samma längd.

Som ett resultat av att strömmen passerar genom en sådan dålig anslutning som inte är tillräckligt tät, kommer platsen för denna anslutning att överhettas, vilket är full av eld, utbränning av ledare eller till och med en eld.

För att undvika detta är ändarna på de anslutna ledarna pålitligt skalade, tennpläterade och utrustade med kabelsko (lödade eller pressade) eller hylsor som ger en marginal för övergångsmotståndet vid kontaktpunkten. Dessa tips kan fixeras tätt på elmaskinens plintar med bultar.

För elektriska apparater som är utformade för att slå på och stänga av strömmen, vidtas också åtgärder för att minska övergångsmotståndet mellan kontakterna.

Se också om detta ämne:

Hur man skyddar ledningar mot överbelastning och kortslutning

Tvärsnittsarea hos ledningar och kablar beroende på strömstyrka, beräkning av önskat kabeltvärsnitt