Acțiunea termică a curentului, densitatea curentului și influența lor asupra încălzirii conductoarelor

Prin acțiunea termică a unui curent electric se înțelege eliberarea de energie termică în timpul trecerii curentului printr-un conductor. Când un curent trece prin conductor, electronii liberi care formează curentul se ciocnesc cu ionii și atomii conductorului, încălzindu-l.

Cantitatea de căldură degajată în acest caz poate fi determinată folosind Legea Joule-Lenz, care este formulat după cum urmează: cantitatea de căldură degajată în timpul trecerii curentului electric prin conductor este egală cu produsul pătratului curentului, rezistența acestui conductor și timpul necesar pentru trecerea curentului prin conductor.

Luând curentul în amperi, rezistența în ohmi și timpul în secunde, obținem cantitatea de căldură în jouli. Și având în vedere că produsul curentului și al rezistenței sunt tensiunea, iar produsul tensiunii și curentului este puterea, se dovedește că cantitatea de căldură degajată în acest caz este egală cu cantitatea de energie electrică transferată acestui conductor în timpul trecerii curentului prin el. Adică energia electrică este transformată în căldură.

Primirea energiei termice din energia electrică a fost utilizată pe scară largă din cele mai vechi timpuri în diverse tehnici. Încălzitoarele electrice, cum ar fi încălzitoarele, încălzitoarele de apă, sobele electrice, fierul de lipit, cuptoarele electrice etc., precum și sudarea electrică, lămpile incandescente și multe altele, folosesc acest principiu pentru a genera căldură.

Dar într-un număr mare de dispozitive electrice, încălzirea cauzată de curent este dăunătoare: motoare electrice, transformatoare, fire, electromagneti etc. - în aceste dispozitive care nu sunt proiectate pentru a primi căldură, încălzire le reduce eficiența, interferează cu funcționarea eficientă și poate duce chiar la situații de urgență.

Pentru orice conductor, în funcție de parametrii de mediu, este caracteristică o anumită valoare acceptabilă a valorii curente, la care conductorul nu se încălzește în mod vizibil.

Așadar, de exemplu, pentru a găsi încărcarea curentă admisibilă pe fire, utilizați parametrul "Densitatea curentului", caracterizând curentul la 1 mp din aria secțiunii transversale a acestui conductor.

Densitatea de curent admisă pentru fiecare material conductor în anumite condiții este diferită, depinde de mai mulți factori: de tipul de izolație, de viteza de răcire, de temperatura ambientală, de secțiune transversală etc.

De exemplu, pentru mașinile electrice, unde înfășurările sunt realizate, de regulă, din cupru, densitatea maximă admisă a curentului nu trebuie să depășească 3-6 amperi pe mm pătrat. Pentru o lampă cu incandescență și mai precis pentru filamentul său de wolfram, nu mai mult de 15 amperi pe mp.

Pentru cablurile de iluminat și rețelele electrice, densitatea maximă admisă a curentului este luată în funcție de tipul de izolație și de secțiunea transversală.

Dacă materialul conductorului este de cupru, iar izolația este de cauciuc, atunci cu o suprafață în secțiune de, de exemplu, 4 mm pătrați, este permisă o densitate de curent de maximum 10,2 amperi pe pătrat mm, iar dacă secțiunea transversală este de 50 mm pătrată, densitatea de curent admisă va fi numai 4,3 amperi pe mm pătrat Dacă conductorii zonei indicate nu au izolație, atunci densitățile de curent admise vor fi de 12,5 și respectiv 5,6 amperi pe mm pătrat.

Care este motivul scăderii densității de curent admisibile pentru conductoarele unei secțiuni transversale mai mari? Cert este că conductoarele cu o suprafață transversală semnificativă, spre deosebire de conductoarele cu secțiune mică, au un volum mai mare de material conductor situat în interior și se dovedește că straturile interioare ale conductorului sunt în sine înconjurate de straturi de încălzire care interferează cu eliminarea căldurii din interior.

Cu cât suprafața conductorului este mai mare în raport cu volumul său, cu atât densitatea curentului poate fi mai rezistentă fără supraîncălzire. Conductoarele neizolate permit încălzirea la o temperatură mai ridicată, deoarece căldura este transferată direct de la aceștia către mediu, izolarea nu interferează cu aceasta, iar răcirea are loc mai repede, de aceea este permisă o densitate mai mare a curentului decât pentru conductoarele izolate.

Dacă este depășit curent admis pentru conductor, va începe să se supraîncălzească, iar la un moment dat temperatura lui va fi excesivă. Izolația înfășurării motorului, a generatorului sau doar a cablajului poate fi carbonizată sau aprinsă în aceste condiții, ceea ce va duce la un scurtcircuit și incendiu. Dacă vorbim despre un fir neizolat, atunci la temperatură ridicată se poate topi și rupe pur și simplu circuitul în care servește ca conductor.

Depasirea curentului admis este de obicei prevenită. Prin urmare, în instalațiile electrice, de obicei, se iau măsuri speciale pentru a deconecta automat de la sursa de alimentare a acelei părți a circuitului sau a receptorului electric în care s-a întâmplat peste curent sau scurtcircuit. Pentru a face acest lucru, utilizați întrerupătoarele, siguranțele și alte dispozitive care au o funcție similară - pentru a rupe circuitul în timpul supraîncărcării.

Din legea Joule-Lenz rezultă că supraîncălzirea unui conductor poate apărea nu numai datorită excesului de curent prin secțiunea sa transversală, ci și datorită unei rezistențe mai mari a conductorului. Din acest motiv, pentru funcționarea completă și fiabilă a oricărei instalații electrice, rezistența este extrem de importantă, în special în locurile în care conductorii individuali sunt conectați între ei.

Dacă conductorii nu sunt conectați strâns, dacă contactul lor unul cu celălalt nu este de înaltă calitate, atunci rezistența la joncțiune (așa-numita rezistență la contact) va fi mai mare decât pentru o secțiune integrală a unui conductor de aceeași lungime.

Ca urmare a trecerii curentului printr-o conexiune atât de slabă, dar nu suficient de densă, locul acestei conexiuni se va supraîncălzi, care este plin de foc, arderea conductoarelor sau chiar un incendiu.

Pentru a evita acest lucru, capetele conductoarelor conectate sunt decojite în mod fiabil, placate cu staniu și echipate cu clapete de cablu (soldate sau presate) sau cu mânecile care oferă o marjă pentru rezistența de tranziție la punctul de contact. Aceste sfaturi pot fi fixate strâns la bornele mașinii electrice cu ajutorul șuruburilor.

La dispozitivele electrice concepute pentru a porni și opri curentul, se iau, de asemenea, măsuri pentru a reduce rezistența de tranziție între contacte.

Vezi și pe acest subiect:

Cum să protejați cablurile de supraîncărcare și scurtcircuite

Zona în secțiune transversală a firelor și cablurilor, în funcție de puterea curentă, calcularea secțiunii transversale a cablurilor necesare