Чому нагрівається провідник зі струмом: розберемо подробиці


Розбираємо, чому і як нагрівається провідник при проходженні через нього електричного струму

Чому при проходженні електричного струму провідник нагрівається? Відповідь на це питання вкрай важливий при виборі матеріалів і перерізу провідників, а також в контексті боротьби з наслідками струмів короткого замикання.

Тому в нашій статті ми постараємося максимально докладно, але при цьому на доступній мові, розібратися з причинами нагріву, його етапами і використанні цієї властивості провідників на практиці.

Причини нагріву провідників і їх етапи

Так чому при проходженні струму провідник нагрівається? Відповідь на це питання незалежно один від одного дали Джеймс Джоуль в 1841 році, і Еміль Ленц в 1842 році. У зв’язку з цим. відкритий ними закон отримав назву Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца


Джеймс Джоуль

Еміль Ленц

Звучить цей закон, як: потужність тепла, що виділяється в одиниці об’єму провідника, дорівнює добутку напруженості електричного струму до його щільності. Якщо з цього визначення вам відразу все стало зрозуміло, то наша стаття не для вас. Ми поговоримо з тими, хто, як і я, коли почув перший раз це визначення, здивовано кліпав очима.

Тому ми будемо по мінімуму використовувати формули, а постараємося на пальцях пояснити, що означає цей закон:


Закон Джоуля-Ленца

Отже, у нас є провідник, по якому протікає електричний струм.

  • Сам провідник має певне перетин, а також опір.
  • Значення цього опору зазвичай не високо, але воно є.
  • Крім того, раз у нас по провіднику протікає струм, то він має певний потенціал або напруженість.
  • Оперуючи цими поняттями ми і визначимо чому провідник зі струмом нагрівається.


Питомі опору різних речовин

Почнемо з пояснення опору провідника. Будь-який матеріал володіє так званої питомою провідністю – це здатність проводить електричний струм.

У одних матеріалів цей показник досить високий і їх називають провідниками. У інших матеріалів ця здатність дуже низька, і їх називають діелектриками.


Залежність опору дроти від питомої опору матеріалу

Чим вище здатність матеріалу проводити електричний струм, тим нижче його опір. Але опір провідника залежить ще від одного параметра – це його перетин.

Адже провідник – це як коридор для заряджених частинок, чим їх більше, тим складніше їм пройти. Тому чим більше струм, тим більший перетин повинно бути у провідника.

Залежність опору кабелю від його перетину

Всі сучасні проводи та кабелі мають строго певний опір, яке безпосередньо залежить від їх перетину. Зазвичай воно вказане в паспорті продукту і регламентується ГОСТами як на відео.


Робота, виконана електричним струмом в провіднику, дорівнює кількості виділеного тепла

Струм, долаючи опір провідника, виконує роботу. Результатом цієї роботи є виділення тепла. Чим більша кількість цього тепла, тим швидше нагрівається провідник.

Відповідно, чим більша кількість часу протікає струм по провіднику, ніж більший опір провідника, чим більший струм протікає по провіднику, тим швидше і більше він нагрівається. Ось так характеризує нагрівання провідників електричним струмом закон Джоуля-Ленца.

Зверніть увагу! Електрична провідність, а відповідно і опір провідника, безпосередньо залежить від його температури. Чим вона вища, тим більше опір провідника. Тому виходить лавиноподібний процес. Провідник гріється, його опір зростає, і він гріється ще більше. У зв’язку з цим, процесу відведення тепла від провідника слід приділяти найпильнішу увагу.

Відведення тепла від провідника і етапи нагріву

У зв’язку з наведеним вище властивістю, з нагріванням провідників потрібно боротися. Досягається це за рахунок вибору оптимального перетину дроту, а також матеріалу. Тобто, перетин дроту повинно відповідати максимально допустимому току, який може протікати в ньому, а також нормально витримувати короткочасні перевантаження.

  • Щоб все це правильно розрахувати, ми повинні знати не тільки як закон Джоуля-Ленца нагрівання провідників електричним струмом розраховує, але і як порахувати віддачу тепла провідником. Адже наш провідник знаходиться не в вакуумі, і віддає тепло навколишньому середовищу.


Площа провідника

  • Відразу давайте визначимося, які параметри впливають на тепловіддачу провідника. Перш за все, це перетин провідника, адже цілком логічно, що чим більша площа провідника стикається з навколишнім повітрям, тим швидше він її віддає.


Тепловіддача різних матеріалів

  • Наступним важливим критерієм є так званий коефіцієнт тепловіддачі матеріалу, з якого виконаний провідник. Або як цей параметр ще називають – теплопровідність матеріалу. Адже ні для кого не секрет, що теплопровідність у матеріалів різна.
  • Ну і останнім параметром, є різниця між температурою навколишнього середовища і матеріалом провідника. Адже як говорить інструкція: чим більше цей перепад, тим швидше матеріал віддає тепло.


Температура усталеного режиму

  • Виходячи з цих всіх параметрів, що впливають на тепловіддачу, можна припустити, що для будь-якого провідника і будь-якого струму є, так звана, що встановилася температура. Тобто, температура, при якій існує рівність одержуваної енергії від протікання струму і відведеного тепла.


Робоча температура провідника з ПВХ ізоляцією

  • Таку температуру називають сталим режимом. І вона повинна бути в межах робочої температури дроти. Робоча температура дроти зазвичай обмежена типом використовуваної ізоляції.

Наприклад, для ПВХ-ізоляції вона не повинна перевищувати 70 ° С, а різноманітні матеріали з просоченням лаком здатні витримувати температури до 120 ° С і вище.

вибір провідників

Як ви можете зрозуміти з усього вище написаного, провідники слід вибирати з умов нагрівання. Щоб при певному струмі їх температура не перевищувала максимально допустиму. Зробити це можна своїми руками, завдяки таблицями в ПУЕ. Але і в цьому питанні спочатку необхідно розібратися.

  • У ПУЕ наведені таблиці, за якими можна здійснити вибір провідників по нагріванню, економічної щільності струму, способу прокладки і іншим параметрам. Але для початку ми точно повинні знати умови монтажу і роботи проводу. Давайте розберемо, навіщо це потрібно.


Допустимі перевантаження для кабелів в паперовій ізоляції

  • Але перш розберемося зі струмом. Ні для кого не секрет, що протягом часу струм в провіднику буде змінюватися. І який з них слід розглядати як результуючий для вибору перерізу провідника, незрозуміло. На це питання нам відповідає п. 1.3.2 ПУЕ, який свідчить, що для вибору слід застосовувати середній струм протягом півгодини, найбільш навантаженого на протязі доби.


На фото поправочні температурні коефіцієнти

  • Тепер давайте визначимося з температурою. У різних місцях монтажу вона може досить сильно відрізнятися від робочої температури. Це слід враховувати. Тому в табл. 1.3.3 ПУЕ наведені поправочні коефіцієнти для різної кабельно-провідникової продукції, якщо температури в яких буде працювати кабель, відрізняється від робочої.
  • Вибір провідників по нагріванню, щільності струму, обов’язково враховує спосіб прокладки провідника. Це може бути одиночна прокладка по повітрю, а може бути монтаж в землі або в трубах. Погодьтеся, теплоотведеніе у таких провідників буде істотно відрізнятися. І це обов’язково варто враховувати.
  • Так само слід враховувати кількість жив провідника. Чи то у нас охолоджується одна жила, то чи три, які стикаються.

Зверніть увагу! У табл. 1.3.12 ПУЕ є окремий поправочний коефіцієнт при монтажі провідників пучками. Адже якщо у нас поруч прокладено відразу кілька провідників, то вони цілком можуть нагрівати один одного і помітно гірше остигати. І це так само повинно враховуватися.


Вибір перетину провідників у гумовій і ПВХ ізоляції

  • У підсумку ми зможемо скористатися таблицями 1.3.4. – 1.3.11 ПУЕ, які наказують, провідники якого перетину використовувати для різних струмів, і при використанні провідників з різними типами ізоляції.

Зверніть увагу! Якщо ви вибираєте провідник для житлового приміщення, то відразу повинні виключити проводи та кабелі, виконані з алюмінію. Адже згідно нових норм ПУЕ від 2001 року, такий матеріал в електропроводках житлових будинків заборонено.


Таблиця економічної щільності струму

  • Але ці таблиці можна застосовувати для не самих потужних ліній. При розрахунках міжсистемних високовольтних ліній з напругою в 330кВ і вище, спиратися на ці таблиці не можна. У цьому випадку використовують таблицю 1.3.36 ПУЕ, яка дозволяє вибрати перетин провідників, виходячи з економічної щільності струму.

З цього відео Ви дізнаєтеся про вимоги до провідників.

Використання нагріву матеріалів при проходженні струму на практиці

Але далеко не завжди нагрів провідників електричним струмом є негативним фактором. Люди навчилися застосовувати цей закон і собі на користь. І прикладів такого застосування маса. Ми наведемо лише деякі з них.


Найпростіша електрична піч

  • Найпершим і найпоширенішим, є застосування закону Джоуля-Ленца в електричних печах, нагрівачах і фенах. Для цього, як провідник, свідомо встановлюється матеріал з великим опором. При протіканні через нього струму виділяється велика кількість тепла, яке потім відповідним чином використовується людиною.
  • Ще одним способом застосування цього закону, є теплі підлоги у вашому будинку або гріють кабелі, які застосовують в будівництві і каналізаційних системах. Для них так само свідомо застосовується провідник з високим опором.


Лампа розжарювання

  • І навіть лампочка «Ілліча» частково використовує цей закон. Тільки тут матеріал підбирається не тільки виходячи з опору, але і з яскравості світіння в нагрітому стані.
  • Але нагрівання електричним струмом провідників знайшло своє застосування і в електроенергетиці. Всі ви напевно стикалися з запобіжниками. Суть даного захисного пристрою зводиться до того, що в ємність з умовно незмінними параметрами поміщають провідник певного перерізу. При протіканні через цей провідник струму більше допустимого, він перегорає, і тим самим обезструмлює мережу, що захищається.


Принцип роботи запобіжника

І це тільки декілька прикладів на швидку руку. Насправді їх на порядок більше. Тому нагрівання провідників при протіканні по ним електричного струму це далеко не завжди «зло».

висновок

Ми дуже сподіваємося, що тепер ви знаєте, як можна пояснити нагрівання провідника електричним струмом, і розумієте сам процес. Так само ви повинні розуміти, з чим пов’язані певні обмеження при виборі перерізу провідників, і чи не буде занадто велика ціна ігнорування цих правил.

Адже все з них засновані на реальних практичних і наукових обґрунтуваннях, а електротехніка дуже жорстоко карає тих, хто їх ігнорує.

Ссылка на основную публикацию