Virran lämpövaikutus, virrantiheys ja niiden vaikutus johtimien kuumentamiseen

Sähkövirran lämpövaikutuksella ymmärretään lämpöenergian vapautumista virran kulkiessa johtimen läpi. Kun virta kulkee johtimen läpi, virran muodostavat vapaat elektronit törmäävät johtimen ionien ja atomien kanssa kuumentamalla sitä.

Tässä tapauksessa vapautuvan lämmön määrä voidaan määrittää käyttämällä Joule-Lenzin laki, joka on muotoiltu seuraavasti: sähkövirran kuljettaessa johtimen läpi vapautuvan lämmön määrä on yhtä suuri kuin virran neliön, tämän johtimen resistanssin ja ajan, joka kuluu virran kulkemiseen johtimen läpi, tulo.

Kun otetaan virta ampeereina, vastus ohmeina ja aika sekunneissa, saadaan lämpömäärä jouleina. Ja kun otetaan huomioon, että virran ja vastuksen tulo on jännite, ja jännitteen ja virran tulo on teho, käy ilmi, että tässä tapauksessa vapautuneen lämmön määrä on yhtä suuri kuin tähän johtimeen siirretyn sähköenergian määrä, kun virta kulkee sen läpi. Eli sähköenergia muuttuu lämmöksi.

Lämpöenergian vastaanottamista sähköenergiasta on käytetty laajasti antiikin ajoista lähtien erilaisissa tekniikoissa. Sähkölämmittimet, kuten lämmittimet, vedenlämmittimet, sähköuunit, juotosraudat, sähköuunit jne., Samoin kuin sähköhitsaus, hehkulamput ja paljon muuta, käyttävät tätä periaatetta lämmön tuottamiseen.

Mutta monissa sähkölaitteissa virran aiheuttama lämmitys on haitallista: sähkömoottorit, muuntajat, johdot, sähkömagneetit jne. - näissä laitteissa, joita ei ole suunniteltu vastaanottamaan lämpöä, lämmitystä vähentää niiden tehokkuutta, häiritsee tehokasta toimintaa ja voi jopa johtaa hätätilanteisiin.

Jokaiselle johtimelle on ympäristöparametreista riippuen ominainen virta-arvon hyväksyttävä arvo, jolla johdin ei kuumene huomattavasti.

Joten esimerkiksi löytääksesi johtimille sallittu virtakuorma, käytä parametria "Nykyinen tiheys", joka kuvaa tämän virran johtimen poikkipinta-alan 1 neliömetriä kohti.

Kullekin johtavalle materiaalille sallittu virrantiheys tietyissä olosuhteissa on erilainen, se riippuu monista tekijöistä: eristyksen tyypistä, jäähdytysnopeudesta, ympäristön lämpötilasta, poikkileikkauspinta-alasta jne.

Esimerkiksi sähkökoneissa, joissa käämit tehdään pääsääntöisesti kuparista, suurin sallittu virrantiheys ei saa olla yli 3–6 ampeeria neliömetriä kohti. Hehkulampun ja tarkemmin sen volframilangan osalta korkeintaan 15 ampeeria neliömetriä kohden.

Valaisin- ja sähköverkkojen johtojen suurin sallittu virrantiheys otetaan eristyksen tyypin ja poikkileikkauspinta-alan perusteella.

Jos johtimen materiaali on kuparia ja eristys on kumia, silloin, kun poikkipinta-ala on esimerkiksi 4 neliö mm, virrantiheys on enintään 10,2 ampeeria neliömetriä kohti, ja jos poikkileikkaus on 50 neliö mm, sallittu virrantiheys on vain 4,3 ampeeria neliömetriä kohti Jos ilmoitetun alueen johtimissa ei ole eristystä, sallitut virrantiheydet ovat vastaavasti 12,5 ja 5,6 ampeeria neliömetriä kohti.

Mikä on syy alentaa suuremman poikkileikkauksen johtimien sallittua virrantiheyttä? Tosiasia on, että johtimissa, joilla on merkittävä poikkileikkauspinta-ala, toisin kuin pienissä läpileikkauksissa, on suurempi tilavuus johtavaa materiaalia, jotka sijaitsevat sisällä, ja osoittautuu, että johtimen sisäkerrokset ympäröivät itse kuumennuskerroksia, jotka häiritsevät lämmön poistoa sisältä.

Mitä suurempi johtimen pinta-ala on sen tilavuuteen nähden, sitä suurempaa virrantiheyttä johdin voi kestää ilman ylikuumenemista. Eristämättömät johtimet sallivat lämmityksen korkeampaan lämpötilaan, koska lämpö siirtyy suoraan heiltä ympäristöön, eristys ei estä tätä ja jäähdytys on nopeampaa, joten heille sallitaan suurempi virrantiheys kuin eristyksen johtimille.

Jos ylitetään johtimen sallittu virta, se alkaa ylikuumentua ja jossain vaiheessa sen lämpötila on liian korkea. Moottorin käämin, generaattorin tai vain johtimien eristys voi hiipua tai palaa sellaisissa olosuhteissa, mikä johtaa oikosulkuun ja tulipaloon. Jos puhumme eristämättömästä johdosta, niin korkeassa lämpötilassa se voi yksinkertaisesti sulaa ja katkaista piirin, jossa se toimii johtimena.

Sallitun virran ylittäminen on yleensä estetty. Siksi sähköasennuksissa toteutetaan yleensä erityistoimenpiteitä automaattisen irtoamiseksi virtalähteestä sen piirin osan tai sähköisen vastaanottimen kanssa, jossa se tapahtui yli virta tai oikosulku. Käytä tätä varten katkaisijoita, sulakkeita ja muita laitteita, joilla on samanlainen toiminta - katkaista piiri ylikuormituksen aikana.

Joule-Lenzin laista seuraa, että johtimen ylikuumeneminen voi tapahtua paitsi poikkileikkauksen läpi kulkevan ylimääräisen virran vuoksi myös johtimen suuremman vastuksen takia. Tästä syystä minkä tahansa sähköasennuksen täydelliseen ja luotettavaan toimintaan resistanssi on erittäin tärkeä, etenkin paikoissa, joissa yksittäiset johtimet on kytketty toisiinsa.

Jos johtimia ei ole kytketty tiukasti, jos niiden kosketus toisiinsa ei ole hyvä, silloin vastus risteyksessä (ns. kosketusvastus) on korkeampi kuin samanpituisella johtimen kiinteällä osalla.

Seurauksena virran kulkemisesta niin huonolaatuisen, ei riittävän tiheän liitännän kautta, tämän liitoksen paikka ylikuumenee, mikä on tulipaloa, johtimien palamista tai jopa tulipalo.

Tämän välttämiseksi kytkettyjen johtimien päät on luotettavasti kuorittu, tinattu ja varustettu kaapelikengillä (juotettu tai puristettu) tai holkilla, jotka tarjoavat marginaalin siirtymävastukselle kosketuspisteessä. Nämä kärjet voidaan kiinnittää tiukasti sähkökoneen napoihin ruuveilla.

Sähkölaitteille, jotka on suunniteltu virran kytkemiseksi päälle ja pois päältä, ryhdytään myös toimenpiteisiin vähentämään kontaktien välistä siirtymävastusta.

Katso myös tästä aiheesta:

Kuinka suojata johdotuksia ylikuormitukselta ja oikosululta

Johtimien ja kaapeleiden poikkileikkauspinta-ala virtavahvuudesta riippuen, tarvittavan kaapelin poikkileikkauksen laskeminen