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Wärmewirkung von Strom, Stromdichte und deren Einfluss auf die Erwärmung von Leitern

 

Unter der thermischen Wirkung eines elektrischen Stroms wird die Freisetzung von Wärmeenergie während des Stromdurchgangs durch einen Leiter verstanden. Wenn ein Strom durch den Leiter fließt, kollidieren die freien Elektronen, die den Strom bilden, mit den Ionen und Atomen des Leiters und erhitzen ihn.

Die in diesem Fall freigesetzte Wärmemenge kann mit bestimmt werden Joule-Lenz-Gesetz, die wie folgt formuliert ist: Die Wärmemenge, die während des Durchgangs von elektrischem Strom durch den Leiter freigesetzt wird, ist gleich dem Produkt aus dem Quadrat des Stroms, dem Widerstand dieses Leiters und der Zeit, die der Strom benötigt, um durch den Leiter zu fließen.

Joule-Lenz-Gesetz

Wenn wir den Strom in Ampere, den Widerstand in Ohm und die Zeit in Sekunden nehmen, erhalten wir die Wärmemenge in Joule. Und wenn man bedenkt, dass das Produkt aus Strom und Widerstand die Spannung ist und das Produkt aus Spannung und Strom die Leistung ist, stellt sich heraus, dass die in diesem Fall freigesetzte Wärmemenge gleich der Menge an elektrischer Energie ist, die während des Stromdurchgangs durch diesen Leiter übertragen wird. Das heißt, elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt.

Der Empfang von Wärmeenergie aus elektrischer Energie ist seit der Antike in verschiedenen Techniken weit verbreitet. Elektroheizungen wie Heizungen, Warmwasserbereiter, Elektroherde, Lötkolben, Elektroöfen usw. sowie Elektroschweißen, Glühlampen und vieles mehr nutzen dieses Prinzip zur Wärmeerzeugung.

Elektrische Fliese

Bei einer großen Anzahl elektrischer Geräte ist die durch Strom verursachte Erwärmung jedoch schädlich: Elektromotoren, Transformatoren, Drähte, Elektromagnete usw. - bei diesen Geräten, die nicht zur Erzeugung von Wärme und Erwärmung ausgelegt sind reduziert ihre Effizienz, stört den effizienten Betrieb und kann sogar zu Notsituationen führen.

Für jeden Leiter ist abhängig von den Umgebungsparametern ein bestimmter akzeptabler Wert des Stromwerts charakteristisch, bei dem sich der Leiter nicht merklich erwärmt.

Verwenden Sie zum Beispiel den Parameter, um die zulässige Strombelastung der Drähte zu ermitteln "Stromdichte", charakterisiert den Strom pro 1 mm² der Querschnittsfläche dieses Leiters.

Die zulässige Stromdichte für jedes leitende Material ist unter bestimmten Bedingungen unterschiedlich und hängt von vielen Faktoren ab: von der Art der Isolierung, der Abkühlrate, der Umgebungstemperatur, der Querschnittsfläche usw.

Stromdichte

Beispielsweise sollte bei elektrischen Maschinen, bei denen die Wicklungen in der Regel aus Kupfer bestehen, die maximal zulässige Stromdichte 3-6 Ampere pro mm² nicht überschreiten. Für eine Glühlampe und genauer für ihren Wolframfaden nicht mehr als 15 Ampere pro Quadratmeter.

Für Kabel von Beleuchtungs- und Stromnetzen wird die maximal zulässige Stromdichte basierend auf der Art der Isolierung und der Querschnittsfläche ermittelt.

Wenn das Material des Leiters Kupfer ist und die Isolierung Gummi ist, ist bei einer Querschnittsfläche von beispielsweise 4 mm² eine Stromdichte von nicht mehr als 10,2 Ampere pro mm² zulässig, und wenn der Querschnitt 50 mm² beträgt, beträgt die zulässige Stromdichte nur 4,3 Ampere pro mm² Wenn die Leiter des angegebenen Bereichs keine Isolierung haben, betragen die zulässigen Stromdichten 12,5 bzw. 5,6 Ampere pro mm².

Elektrisch beheizte Leiter

Was ist der Grund für die Verringerung der zulässigen Stromdichte für Leiter mit größerem Querschnitt? Tatsache ist, dass Leiter mit einer signifikanten Querschnittsfläche im Gegensatz zu Leitern mit kleinem Querschnitt ein größeres Volumen an leitendem Material aufweisen, und es stellt sich heraus, dass die inneren Schichten des Leiters selbst von Heizschichten umgeben sind, die die Wärmeabfuhr von innen stören.

Je größer die Oberfläche des Leiters in Bezug auf sein Volumen ist, desto höher ist die Stromdichte, die der Leiter ohne Überhitzung aushalten kann. Nicht isolierte Leiter ermöglichen eine Erwärmung auf eine höhere Temperatur, da Wärme direkt von ihnen an die Umgebung übertragen wird, die Isolierung dies nicht behindert und die Abkühlung schneller ist. Daher ist für sie eine höhere Stromdichte zulässig als für Leiter in Isolation.

Wenn überschritten Strom für den Leiter zulässigwird es anfangen zu überhitzen und irgendwann wird seine Temperatur zu hoch sein. Die Isolierung der Wicklung eines Elektromotors, Generators oder einer Verkabelung kann unter solchen Bedingungen verkohlt oder entzündet werden, was zu einem Kurzschluss und einem Brand führen kann. Wenn wir von einem nicht isolierten Draht sprechen, kann er bei hoher Temperatur einfach schmelzen und den Stromkreis unterbrechen, in dem er als Leiter dient.

Der Motor auf dem Bildschirm der Wärmebildkamera

Das Überschreiten des zulässigen Stroms wird normalerweise verhindert. Daher werden in elektrischen Anlagen normalerweise spezielle Maßnahmen getroffen, um den Teil des Stromkreises oder den elektrischen Empfänger, in dem er aufgetreten ist, automatisch von der Stromquelle zu trennen Überstrom oder Kurzschluss. Verwenden Sie dazu Leistungsschalter, Sicherungen und andere Geräte, die eine ähnliche Funktion haben - um den Stromkreis bei Überlastung zu unterbrechen.

Aus dem Joule-Lenz-Gesetz folgt, dass eine Überhitzung eines Leiters nicht nur aufgrund eines Überstroms durch seinen Querschnitt auftreten kann, sondern auch aufgrund eines höheren Widerstands des Leiters. Aus diesem Grund ist der Widerstand für den vollständigen und zuverlässigen Betrieb jeder elektrischen Anlage äußerst wichtig, insbesondere an den Stellen, an denen einzelne Leiter miteinander verbunden sind.

Elektrischer Anschluss von Kabeladern mit Klemmenblock

Wenn die Leiter nicht fest verbunden sind, wenn ihr Kontakt miteinander nicht von hoher Qualität ist, dann der Widerstand an der Verbindungsstelle (der sogenannte Kontaktwiderstand) ist höher als bei einem integralen Abschnitt eines Leiters gleicher Länge.

Infolge des Stromdurchgangs durch eine derart minderwertige, nicht ausreichend dichte Verbindung wird der Ort dieser Verbindung überhitzt, was mit Feuer, Ausbrennen von Leitern oder sogar einem Feuer behaftet ist.

Um dies zu vermeiden, werden die Enden der angeschlossenen Leiter zuverlässig abgezogen, verzinnt und mit Kabelschuhen (gelötet oder gepresst) oder Hülsen ausgestattet, die einen Rand für den Übergangswiderstand am Kontaktpunkt bieten. Diese Spitzen können mit Schrauben fest an den Klemmen der elektrischen Maschine befestigt werden.

Bei elektrischen Geräten zum Ein- und Ausschalten des Stroms werden auch Maßnahmen getroffen, um den Übergangswiderstand zwischen den Kontakten zu verringern.

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