Termisk virkning av strøm, strømtetthet og deres innflytelse på oppvarming av ledere

Ved termisk virkning av en elektrisk strøm forstås frigjøring av termisk energi under passering av strøm gjennom en leder. Når en strøm går gjennom lederen, kolliderer de frie elektronene som danner strømmen med ioner og atomer i lederen, og oppvarmer den.

Mengden varme som frigjøres i dette tilfellet kan bestemmes ved bruk Joule-Lenz lov, som er formulert som følger: mengden varme som frigjøres under passering av elektrisk strøm gjennom lederen er lik produktet fra kvadratet til strømmen, motstanden til denne lederen og tiden det tar for strømmen å passere gjennom lederen.

Tar strømmen i ampere, motstanden i ohm og tiden i sekunder, får vi mengden varme i joule. Og med tanke på at produktet av strømmen og motstanden er spenningen, og produktet av spenningen og strømmen er kraften, viser det seg at mengden varme som frigjøres i dette tilfellet er lik mengden elektrisk energi som overføres til denne lederen under strømføring gjennom den. Det vil si at elektrisk energi blir omdannet til varme.

Mottakelse av termisk energi fra elektrisk energi har vært mye brukt siden antikken i forskjellige teknikker. Elektriske ovner, som varmeovner, varmtvannsbereder, elektriske ovner, loddejern, elektriske ovner, etc., samt elektrisk sveising, glødelamper og mye mer, bruker dette prinsippet for å generere varme.

Men i et stort antall elektriske apparater er oppvarming forårsaket av strøm skadelig: elektriske motorer, transformatorer, ledninger, elektromagneter, etc. - i disse enhetene som ikke er designet for å motta varme, oppvarming reduserer effektiviteten, forstyrrer effektiv drift, og kan til og med føre til nødsituasjoner.

Avhengig av miljøparametrene er en viss akseptabel verdi av strømverdien karakteristisk for at lederen ikke blir varm.

Så for eksempel for å finne den tillatte strømbelastningen på ledningene, bruk parameteren "Nåværende tetthet", karakteriserer strømmen per 1 kvadratmeter av tverrsnittsarealet til denne lederen.

Den tillatte strømtettheten for hvert ledende materiale under visse forhold er forskjellig, det avhenger av mange faktorer: av type isolasjon, kjølehastighet, omgivelsestemperatur, tverrsnittsareal, etc.

For eksempel for elektriske maskiner, der viklingene er laget av kobber, skal den maksimale tillatte strømtettheten ikke overstige 3-6 ampere per kvadrat mm. For en glødelampe, og mer presist for sin wolframglødetråd, ikke mer enn 15 ampere per kvadratmeter.

For ledninger til belysning og kraftnett tas den maksimalt tillatte strømtettheten basert på typen isolasjon og tverrsnittsareal.

Hvis materialet i lederen er kobber, og isolasjonen er gummi, er det med et tverrsnittsareal på for eksempel 4 kvadrat mm tillatt en strømtetthet på ikke mer enn 10,2 ampere per kvadrat mm, og hvis tverrsnittet er 50 kvadrat mm, vil den tillatte strømtettheten bare være 4,3 ampere per kvadrat mm Hvis lederne i det angitte området ikke har isolasjon, vil de tillatte strømtettheter være henholdsvis 12,5 og 5,6 ampere per kvadrat mm.

Hva er grunnen til å senke den tillatte strømtettheten for ledere med større tverrsnitt? Faktum er at ledere med et betydelig tverrsnittsareal, i motsetning til småsnittsledere, har et større volum ledende materiale plassert inne, og det viser seg at lederens indre lag selv er omgitt av varmelag som forstyrrer fjerning av varme fra innsiden.

Jo større overflateareal på lederen med hensyn til dens volum, jo ​​høyere strømtetthet kan lederen tåle uten overoppheting. Ikke-isolerte ledere tillater oppvarming til en høyere temperatur, siden varme overføres direkte fra dem til miljøet, isolering hindrer ikke dette, og avkjøling er raskere, derfor tillates en høyere strømtetthet for dem enn for ledere i isolasjon.

Hvis overskredet strøm tillatt for konduktøren, vil den begynne å overopphetes, og på et tidspunkt vil temperaturen være for høy. Isolering av viklingen av en elektrisk motor, generator, eller bare ledninger, kan bli forkullet eller antennes under slike forhold, noe som vil føre til kortslutning og brann. Hvis vi snakker om en uisolert ledning, kan den ved høy temperatur ganske enkelt smelte og bryte kretsløpet der den fungerer som leder.

Overskridelse av tillatt strøm forhindres vanligvis. I elektriske installasjoner blir det derfor vanligvis tatt spesielle tiltak for automatisk å koble fra strømkilden til en del av kretsen eller den elektriske mottakeren der det skjedde over strøm eller kortslutning. For å gjøre dette, bruk effektbrytere, sikringer og andre enheter som har en lignende funksjon - for å bryte kretsen under overbelastning.

Det følger av Joule-Lenz-loven at overoppheting av en leder kan oppstå ikke bare på grunn av overskytende strøm gjennom tverrsnittet, men også på grunn av en høyere motstand fra lederen. Av den grunn, for full og pålitelig drift av alle elektriske installasjoner, er motstand ekstremt viktig, spesielt på de stedene hvor individuelle ledere er koblet til hverandre.

Hvis lederne ikke er tett koblet sammen, hvis kontakten deres med hverandre ikke er av høy kvalitet, vil motstanden i krysset (den såkalte kontaktmotstand) vil være høyere enn for en integrert seksjon av en leder med samme lengde.

Som et resultat av strømføringen gjennom en så dårlig kvalitet, ikke tilstrekkelig tett forbindelse, vil stedet for denne forbindelsen overopphetes, som er full av brann, utbrenthet av ledere eller til og med en brann.

For å unngå dette er endene på de tilkoblede lederne pålitelig skrellet, tinnbelagt og utstyrt med kabelsko (loddet eller presset) eller hylser som gir en margin for overgangsmotstanden ved kontaktpunktet. Disse tipsene kan være tett festet til terminalene til en elektrisk maskin ved hjelp av bolter.

For elektriske apparater designet for å slå av og på strømmen, blir det også iverksatt tiltak for å redusere overgangsmotstanden mellom kontaktene.

Se også om dette emnet:

Hvordan beskytte ledninger mot overbelastning og kortslutning

Tverrsnittsareal av ledninger og kabler, avhengig av strømstyrke, beregning av ønsket kabeltverrsnitt