Почему нагревается проводник с током: подробное описание

Почему проводник нагревается, когда по нему течет электрический ток? Ответ на этот вопрос имеет решающее значение при выборе материалов и сечений проводников, а также в контексте противодействия влиянию токов короткого замыкания.

Содержание

Почему провод под напряжением нагревается и как правильно выбрать провод?

Почему проводник нагревается, когда по нему течет электрический ток? Ответ на этот вопрос чрезвычайно важен при выборе материалов и сечений кабеля, а также в контексте противодействия влиянию токов короткого замыкания.

Поэтому в нашей статье мы постараемся как можно более подробно – но простым языком – объяснить причины и стадии нагрева, а также практическое применение этого свойства проводников.

Одним из свойств электрического тока является нагревание проводников, по которым он протекает. Этот эффект наблюдали многие исследователи, но его понимание пришло только после выяснения механизма взаимодействия заряженных частиц с атомами и молекулами проводников. Нагревание приводит к выделению тепла и повышению температуры, а количество выделяемого тепла можно рассчитать по формуле закона Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:

• Чем больше сопротивление, тем больше нагревается проводник. Это количество тепла Qкоторая выделяется при протекании электрического тока в проводнике, прямо пропорциональна величине сопротивления проводника R;
• Чем больше сила тока, тем больше выделяется тепла. При увеличении силы тока через поперечное сечение проводника в единицу времени проходит больше частиц, т.е. увеличивается число столкновений, поэтому атомам проводника передается больше энергии.

Формула для расчета количества теплоты была получена независимо друг от друга в 1842 году английским физиком Джеймсом Джоулем и русским ученым Эмилем Ленцем:

Q – количество тепла, Дж;

Согласно закону Ома:

Используя эту формулу, закон Джоуля-Ленца можно представить в другом варианте, когда напряжение на участке проводника известно, а сила тока неизвестна:

Формулы закона Джоуля-Ленца действительны, когда работа, совершаемая электрическим током, направлена исключительно на нагревание. Если в цепи энергия используется для совершения механической работы (электродвигатель) или для осуществления химических реакций (электролит), то для расчетов необходимо использовать другие формулы.

Однако из теоретических соображений можно сделать некоторые выводы. Между тем, вопрос о температуре проводников имеет большое практическое значение, во всех технических расчетах сетей, реостатов, обмоток и т.д. Поэтому в технике используются эмпирические формулы, правила и таблицы, дающие зависимость между сечением проводников и допустимым током при различных условиях, в которых находятся проводники. Некоторые качественные взаимосвязи можно предсказать и легко установить опытным путем.

Нагревание проводников током

Поскольку количество тепла, выделяемого током, протекающим через проводник, пропорционально времени, температура проводника должна постоянно увеличиваться при протекании через него тока. Фактически, при непрерывном прохождении тока через проводник устанавливается некоторая постоянная температура, хотя тепло в проводнике все равно выделяется непрерывно.

Это явление объясняется тем, что любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, отдает тепловую энергию в окружающую среду, поскольку

Во-первых, само тело и соприкасающиеся с ним тела обладают теплопроводностью;

Во-вторых, слои воздуха, прилегающие к телу, нагреваются, поднимаются вверх и уступают место более холодным слоям, которые снова нагреваются, и так далее (тепловая конвекция). (тепловая конвекция) ;

в-третьих, из-за того, что нагретое тело излучает темные, а иногда и видимые лучи в окружающее пространство, затрачивая на это часть своей тепловой энергии (радиационное излучение).

Все эти потери тепла тем больше, чем больше разница температур между телом и окружающей средой. Поэтому, когда температура проводника становится настолько высокой, что общее количество тепла, выделяемое проводником в окружающее пространство в единицу времени, равно количеству тепла, выделяемому в проводнике каждую секунду электрическим током, температура проводника перестает расти и становится постоянной.

Потеря тепла через проводник в результате протекания тока – слишком сложное явление, чтобы можно было теоретически определить зависимость температуры проводника от всех обстоятельств, влияющих на скорость охлаждения тела.

Однако из теоретических соображений можно сделать некоторые выводы. Между тем, вопрос о температуре проводников имеет большое практическое значение, во всех технических расчетах сетей, реостатов, обмоток и т.д. Поэтому в технике используются формулы, правила и эмпирические таблицы, дающие зависимости между сечениями проводников и допустимым током при различных условиях, в которых находятся проводники. Некоторые качественные взаимосвязи можно предсказать и легко установить опытным путем.

Очевидно, что любое обстоятельство, снижающее влияние одной из трех причин охлаждения тела, повышает температуру проводника. Давайте обратим внимание на некоторые из этих обстоятельств.

Неизолированный проводник на прямой линии, вытянутый горизонтально, имеет более низкую температуру, чем тот же проводник при том же токе в вертикальном положении, потому что в последнем случае нагретый воздух поднимается вдоль проводника, а нагретый воздух замещается холодным медленнее, чем в первом случае.

Намотанный проводник нагревается значительно сильнее, чем тот же проводник с таким же током, проложенный по прямой линии.

Проводник, покрытый слоем изоляции, нагревается сильнее, чем неизолированный, поскольку изоляция всегда является плохим проводником тепла, а температура на поверхности изоляции намного ниже, чем на поверхности проводника, поэтому охлаждение этой поверхности воздушными потоками и излучением намного меньше.

Если провод поместить в водород или легкий газ, теплопроводность которого выше, чем у воздуха, то температура провода при том же токе будет ниже, чем в воздухе. Напротив, в углекислом газе, который имеет более низкую теплопроводность, чем воздух, проволока будет нагреваться сильнее.

Если провод поместить в пустое пространство (вакуум), конвекция тепла полностью прекращается, и провод нагревается гораздо сильнее, чем в воздухе. Он используется в производстве лампочек.

В целом, охлаждение проводников воздушными потоками имеет первостепенное значение среди других факторов охлаждения. Любое увеличение площади охлаждающей поверхности приводит к снижению температуры проводника. Поэтому пучок тонких параллельных проводников, не соприкасающихся друг с другом, охлаждается гораздо лучше, чем толстый проводник того же сопротивления, поперечное сечение которого равно сумме поперечных сечений всех проводов в пучке.

Для изготовления относительно легких реостатов в качестве проводников используют очень тонкие полоски металла, гофрируя их для уменьшения длины.

Поскольку количество тепла, выделяемого током в проводнике, пропорционально его сопротивлению, в случае двух проводников одинакового размера, но разного вещества, тот, чье удельное сопротивление больше, нагревается до более высокой температуры.

Уменьшение поперечного сечения проводника может увеличить его сопротивление настолько, что его температура достигнет температуры плавления. Он используется для защиты сети и оборудования от повреждения токами, превышающими те, на которые оборудование и сеть были рассчитаны.

Для этого в цепь вводятся так называемые предохранители, которые представляют собой короткие проводники из легкоплавкого металла (серебра или свинца). Сечение этого проводника рассчитывается таким образом, чтобы он плавился при определенном токе.

Данные, приведенные в справочных таблицах по площади поперечного сечения предохранителей для различных номинальных токов, относятся к предохранителям, длина которых не менее указанных размеров.

Очень короткий предохранитель охлаждается лучше, чем длинный, из-за хорошей теплопроводности медных клемм, к которым он подключен, и, следовательно, плавится при немного большей силе тока. Кроме того, длина предохранителя должна быть такой, чтобы при плавлении предохранителя между концами проволоки не могла образоваться электрическая дуга. Поэтому наименьшая длина предохранителя должна определяться в зависимости от напряжения сети.

Для изолированных проводников указана предельная температура нагрева от 55°C до 100°C, в зависимости от свойств изоляции и условий монтажа. Ток, при котором температура в установившемся состоянии соответствует стандартам, называется предельным током или номинальным током проводника. Номинальные значения тока для различных сечений проводников приведены в специальных таблицах в электротехнических нормах и руководствах по эксплуатации электрооборудования.

Некоторые основные понятия

Зачем вообще рассчитывать площадь поперечного сечения проводников? А нельзя ли сделать это на глаз? Нет, не можете, потому что легко впасть в две крайности:

• Проводник с недостаточной площадью поперечного сечения начинает перегреваться. Это приводит к расплавлению изоляции проводника, создавая условия для самовозгорания, для короткого замыкания. Это приводит к разрушительным пожарам, часто со смертельным исходом.
• Кабели избыточного диаметра, очевидно, не представляют такой опасности. Однако они гораздо дороже (особенно если речь идет о медных кабелях) и не так удобны в работе. Существуют совершенно необоснованные затраты на материалы и рабочую силу.

Поэтому необходимо соблюдать принцип разумной достаточности. Это тем более актуально, что любой человек, хотя бы немного разбирающийся в математике и физике, способен произвести необходимые расчеты.

Для начала напомним несколько терминов, с которыми многие, вероятно, уже знакомы. Но только для того, чтобы потом не было недоразумений.

В этой теме часто возникает путаница, в том числе и в статьях, опубликованных на веб-сайтах.

Итак, однопроволочная проволока может использоваться в качестве проводника в проводах и кабелях – с точки зрения электропроводности это лучший вариант.

Однако для достижения гибкости в кабельной продукции требуются более сложные конструкции – множество тонких проводов, обычно скрученных в косичку. Чем больше таких проводов, тем более гибким становится проводник.

Однако не следует путать его с многожильными кабелями. Одна прядь означает один провод. Чтобы объяснить это, посмотрите на иллюстрацию.

На рисунке ниже приведен пример одного провода. Сразу слева – жесткий однопроводной, а справа – более гибкий многопроводной вариант.

И левая, и правая стороны имеют один проводник.

Если провод (кабель) конструктивно соединяет два или более изолированных друг от друга проводников, он становится двухжильным, трехжильным и т.д. Однако это может быть и одножильный кабель или витая пара.

Кабель витой пары

То же самое относится и к кабелям. По определению, кабель – это конструкция, состоящая из нескольких изолированных друг от друга проводников, заключенных в общую изоляционную и защитную оболочку. Однако кабели могут быть одножильными или многожильными.

Трехжильные силовые кабели – с одножильными или многожильными жилами Жесткие одножильные изделия подходят для фиксированных кабельных секций, например, встроенных в стены. Многожильные кабели и провода хорошо работают в тех областях, где требуется мобильность – типичными примерами являются кабели, подающие питание на бытовые приборы и осветительные приборы.

Поэтому все дальнейшие расчеты будут производиться для сечения жилы кабеля или проводника.

При оценке условий, в которых должны быть размещены кабели, могут возникнуть дополнительные различия, например, между тремя одножильными кабелями, проходящими в одной трубе, и одним трехжильным кабелем.

Два связанных параметра, которые иногда путают неопытные люди. Посмотрите на диаграмму – она имеет смысл.

Слева – диаметр проводника, измеряемый в миллиметрах. Справа – площадь поперечного сечения проводника, измеряемая в мм². Во всех каталогах обычно используется площадь поперечного сечения, поскольку именно этот критерий используется для классификации различных марок проводников и кабелей.

Но это нормально, если известна марка кабеля (проводника). Если нет, то остается рассчитать поперечное сечение по диаметру, который можно измерить штангенциркулем или микрометром.

Диаметр сердечника (проволоки) подходит для простого измерения. Площадь поперечного сечения может быть только рассчитана.

Формулу для площади круга, вероятно, должен запомнить каждый. Но все же – давайте дадим его на всякий случай.

Читайте: Какую сторону пароизоляции следует укладывать – гладкую или шероховатую?

Sc = π × d² / 4 ≈ 3,14 × d² / 4 ≈ 0,785 × d²

Знак “приблизительно равно” использован только потому, что предполагалось округление числа π до сотых, известное значение π≈ 3.14. Но в нашем случае такой точности более чем достаточно!

Это формула для поперечного сечения одного проводника. Что делать, если вам нужно найти сечение неизвестного проводника с многожильным проводником?

Это тоже несложно. Провод не скручен, что позволяет подсчитать количество проводов в “косичке”. Просто используйте микрометр или штангенциркуль для измерения диаметра одной проволоки.

Sc = n × π × d² / 4 ≈ n × 3,14 × d² / 4 ≈ 0,785 × n × d²

где n – количество проводов в одном проводнике.

Почему проводник нагревается?

Почему проводники нагреваются?

Нагрев провода или кабеля – очень нежелательное явление. Непрерывный нагрев проводника в течение длительного времени приводит к разрушению изоляции, что в будущем чревато коротким замыканием и пожаром. В старых домах с алюминиевой проводкой кабели не обязательно должны нагреваться. Даже при использовании новых электроустановок и приборов нередко происходит перегрев силовых кабелей. Давайте узнаем, почему кабели нагреваются и как с этим бороться.

Почему провода нагреваются?

Каждый кабель имеет электрическое сопротивление. Ток, протекающий по проводнику, преодолевает это сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем “труднее по нему течет ток”, происходит много столкновений между электронами и атомами вещества, в результате чего выделяется тепло и проводник нагревается. При повышении температуры проводника его сопротивление увеличивается. Явление нагрева проводника описывается законом Джоуля-Ланса.

Как можно устранить нагрев проводника?

Прежде всего, необходимо определить, нагревается ли вся длина кабеля или конкретная его часть, обычно место соединения, например, вилка и розетка. Если кабель нагревается по всей длине, одна из причин – слишком большой ток по отношению к сечению проводника. Другими словами, провод не справляется с возложенной на него нагрузкой. В старых домах не было такого количества бытовой техники, как сегодня, и кабели прокладывались в соответствии с потребностями приборов прошлого века. Решением является уменьшение количества розеток или выбор розеток с меньшей мощностью, или замена кабельной проводки на современную, обычно медную с требуемым сечением. Для квартиры оптимальной считается медная проводка 2,5 мм² для розеточных групп с максимальной нагрузкой 4,6 кВт при закрытой проводке и медная проводка 1,5 мм² для освещения с максимальной нагрузкой 3,3 кВт.

Если кабель греется в какой-то части, обычно в контактном соединении, будь то винтовое или просто скрученное с пайкой или без нее, причина – плохой контакт. При соединении медных и алюминиевых проводников следует помнить, что из-за разной электропроводности меди и алюминия эти два проводника нельзя соединять с помощью обычной витой пары, т. е. с прямым контактом между двумя металлами. Если медная проводка невозможна, соединение должно быть выполнено с помощью специальных зажимов, таких как WAGO или других, или резьбового соединения с использованием бронзовых шайб.

Что следует делать, если удлинительный кабель нагревается?

Не рекомендуется использовать удлинитель большой мощности, особенно если он длинный и имеет малый калибр провода, обычно 0,75 мм2 . Длинный удлинительный шнур с тонкими проводниками имеет некоторое сопротивление, что вызывает небольшое падение напряжения на удлинителе, которое выделяется в виде тепла. Чем короче длина кабеля и больше сечение провода, тем меньше сопротивление. Намотанный на катушку электрический удлинитель хуже охлаждается и нагревается, поэтому его рекомендуется разматывать.

Итак, вкратце о том, как избавиться от перегрева кабелей:

увеличить сечение провода
снизить нагрузку (мощность электроприборов)
Если возможно, создайте лучшие условия для охлаждения кабеля – например, кабель, замурованный в стену, будет нагреваться сильнее, чем кабель, находящийся снаружи стены. Размотка намотанного удлинительного кабеля
Затяните или замените термически поврежденные кабельные соединения (штекеры, розетки, резьбовые соединения, зажимы).
Накопление тепла в проводе или кабеле очень нежелательно. Непрерывный нагрев кабеля в течение длительного времени приводит к разрушению изоляции, что в будущем может привести к короткому замыканию и пожару. В старых домах с алюминиевой проводкой кабели не обязательно должны нагреваться. Также при использовании новых электроустановок и приборов нередко происходит перегрев силовых кабелей. Давайте узнаем, почему кабели нагреваются и как с этим бороться.

Почему провода нагреваются?

Каждый провод имеет электрическое сопротивление. Ток, протекающий по проводнику, преодолевает это сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем труднее по нему течет ток. Происходит множество столкновений между электронами и атомами вещества, в результате чего выделяется тепло, и проводник нагревается. При повышении температуры проводника его сопротивление увеличивается. Явление нагрева проводника описывается законом Джоуля-Ланса.

Как можно устранить нагрев проводника?

Прежде всего, необходимо определить, нагревается ли вся длина кабеля или конкретная его часть, обычно место соединения, например, вилка и розетка. Если кабель нагревается по всей длине, одна из причин – слишком большой ток по отношению к сечению проводника. Другими словами, провод не справляется с возложенной на него нагрузкой. В старых домах не было такого количества бытовой техники, как сегодня, и проводка выполнялась в соответствии с потребностями приборов прошлого века. Решение – уменьшить количество приборов, или выбрать меньшие нагрузки, или заменить проводку на современную, обычно медную с необходимым сечением. В квартирах оптимальной считается медная проводка 2,5 мм² для групп розеток с максимальной нагрузкой 4,6 кВт для закрытой проводки и 1,5 мм² для освещения с максимальной нагрузкой 3,3 кВт.

Если кабель греется в какой-то части, обычно в контактном соединении, будь то винтовое или просто скрученное с пайкой или без нее, причина – плохой контакт. При соединении медных и алюминиевых проводов важно помнить, что из-за разной электропроводности меди и алюминия эти два провода нельзя соединять с помощью обычной витой пары, т.е. с прямым контактом между двумя металлами. Если нет возможности проложить медные провода, соединение осуществляется с помощью специальных зажимов, таких как WAGO или других, или винтовым соединением с использованием бронзовых шайб.

Что следует делать, если удлинительный кабель нагревается?

Не рекомендуется использовать удлинитель большой мощности, особенно если он длинный и имеет малое сечение проводника, обычно 0,75 мм². Длинный удлинительный шнур с тонкими проводниками имеет некоторое сопротивление, что вызывает небольшое падение напряжения на нем, которое выделяется в виде тепла. Чем меньше длина кабеля и больше сечение проводника, тем меньше сопротивление. Намотанный на катушку электрический удлинитель хуже охлаждается и нагревается, поэтому рекомендуется разматывать его.

Итак, вкратце о том, как избавиться от перегрева кабелей:

увеличить сечение провода
снизить нагрузку (мощность электроприборов)
Если возможно, создайте лучшие условия для охлаждения кабеля – например, кабель, замурованный в стену, будет нагреваться сильнее, чем кабель, находящийся снаружи стены. Размотка намотанных удлинительных кабелей
Поврежденные теплом участки на разъемах (вилки, розетки, винтовые соединения, клеммные колодки) должны быть заново затянуты или заменены.

При выборе сечения кабеля и электроустановочных изделий важно учитывать не только безопасность электрической системы, но и экономичность. Поэтому кабели и провода с наибольшим сечением требуют больших необоснованных затрат. Однако в ситуации, когда в будущем к сети могут быть подключены дополнительные устройства, стоит выбрать кабель с наибольшим сечением.

Почему кабели и провода нагреваются во время работы?

Электротехнические работы связаны с большими рисками. Поэтому вы должны знать и учитывать все важные факторы, влияющие на безопасность. К ним относится интенсивный нагрев кабелей во время работы. Это характерно для всех проводов и кабелей. Кроме того, в нем также определены правила прокладки электрических кабелей и последующего подключения потребителей энергии к сети. Нагрев кабеля также влияет на выбор конкретной марки кабелей и проводов и на предельное значение подключенной нагрузки. Чтобы выяснить, насколько сильно нагреваются кабели, необходимо понять причину этого явления.

Основной причиной нагрева кабелей и проводов является характер электрического тока. Ведь движение заряженных электронов в проводнике происходит под воздействием электрического поля. Кроме того, двигаясь, электроны должны преодолеть кристаллическую решетку металлов, которые имеют очень прочные молекулярные связи. Поэтому выделяется много тепла, так как электричество преобразуется в тепло.

Преобразование электроэнергии в тепло – явление обоюдоострое, то есть, с одной стороны, нежелательное, а с другой – очень выгодное.

Преимущества в том, что электричество можно использовать для нагрева абсолютно любого прибора (от простого бытового чайника до промышленных печей). Этот же принцип применим ко всем осветительным приборам.

Главный недостаток Это явление связано с повышенным уровнем опасности, поскольку экстремальная жара часто приводит к серьезным последствиям. Кроме того, высокий рост температуры в обмотках трансформаторов, электродвигателей и другого оборудования приводит к снижению эффективности. Если максимальные температуры превышены, оборудование может выйти из строя и, как следствие, быть повреждено.

Самые опасные ситуации возникает, когда температура кабелей и проводов, используемых для подключения различных нагрузок к электросети (бытовая проводка, проводка и провода, используемые для подключения производственного оборудования к электросети), значительно повышается. Если температура нагрева изолированного кабеля значительно превышена, изоляционный материал может воспламениться или расплавиться, что в дальнейшем может привести к короткому замыканию. В таких ситуациях вероятность воспламенения напрямую зависит от используемых защитных устройств.

Следовательно, явление нагрева кабелей и проводов является одним из основных факторов возникновения пожаров. Другими словами, короткие замыкания являются основной причиной львиной доли всех пожаров в жилых и коммерческих зданиях.

Стоит отметить, что нагрев в течение длительного периода времени изменяет механические свойства металла. Именно поэтому возникают такие ситуации, как обрыв проводов линий электропередач, которые приводят как к большим финансовым потерям, так и к серьезной опасности для жизни людей.

При использовании конкретного кабеля или провода стоит помнить о максимально допустимой температуре нагрева для данной марки. Это значение температуры напрямую связано со свойствами изоляционного материала. Например, кабель с резиновой изоляцией не должен нагреваться до температуры, превышающей 50-65 0 С С бумажной изоляцией макс. 80 0 С В то время как новейшие высокотехнологичные полимеры с изоляцией могут достигать максимальной температуры в 100 0 С . Точные свойства каждого кабеля или провода определяются непосредственно производителем.

Только правильный выбор кабеля для конкретной ситуации, с учетом всех ее особенностей и нюансов, поможет избежать перегрева и дальнейшего возгорания.

Для того чтобы сделать правильный выбор, необходимо учитывать все факторы, влияющие на степень нагрева того или иного провода. В этом может помочь простая формула, известная еще со школьных уроков физики:

Q= I 2 Rt – общая формула, описывающая превращение электрической энергии в тепловую (закон Джоуля-Ленца), где Q – это тепло, выделяемое при прохождении тока через проводник, I – интенсивность тока, R – сопротивление проводника, t – это время, в течение которого электрический ток протекает через проводник.

Формула показывает, что нагрев проводника увеличивается с ростом нагрузки и величины сопротивления. Стоит отметить, что количество выделяемого тепла прямо пропорционально времени протекания тока. А скорость нагрева напрямую связана с эффективной электрической мощностью. Последний, в свою очередь, определяется произведением напряжения и тока, т.е. P=UI . Таким образом, мощность потребителей, подключенных к кабелю, напрямую влияет на силу и интенсивность его нагрева.

Приведенные формулы выглядят следующим образом

Q= I 2 Rt и P=U I Это позволяет узнать точные параметры, которые можно изменять, контролируя количество и скорость нагрева проводников.

Важно знать, что значение тока зависит от номинальной мощности подключенных проводников в целом. Это значение является основой для важных расчетов. Основным изменяемым параметром является сопротивление, значение которого зависит от свойств металла проводника и сечения проводника. Следовательно, поперечное сечение должно определяться емкостью. Именно это позволяет снизить электрическое сопротивление кабелей и тем самым уменьшить температуру нагрева до приемлемого уровня.

При выборе сечения кабелей и проводов важно помнить не только о безопасности электрической сети, но и об экономичности. Поэтому кабели и провода с наибольшим сечением требуют больших необоснованных затрат. Однако в ситуации возможного будущего подключения к сети дополнительных устройств желательно иметь кабель с наибольшей площадью поперечного сечения.

Чтобы определить правильную площадь поперечного сечения, максимальный потребляемый ток следует рассчитать следующим образом: разделите суммарную номинальную мощность всех нагрузок на номинальное напряжение.

Planet Electric имеет очень широкий ассортимент кабельно-проводниковой продукции, о которой вы можете узнать больше на нашем сайте.

Читайте далее:

• Системы охлаждения. Часть 1.
• Элемент Пельтье, принцип действия.
• Сечение кабеля – как выбрать в зависимости от силы тока или мощности.
• Закон Джоуля-Ленца – формулы, применение и примеры.
• Как выбрать автомобильные предохранители?.
• Классика навсегда: современные предохранители и выключатели-разъединители.
• Температурная зависимость сопротивления проводника – Основы электроники.

закон Джоуля-Ленца, применение на практике

Физика

12.11.21

8 мин.

Нагревание проводников электрическим током происходит в результате взаимодействия потока заряженных микрочастиц с атомами и молекулами металла.

При этом начинается выделение тепла. Его количество рассчитывается на основании закона Джоуля-Ленца. На базе такого явления в XIX веке была изобретена лампа накаливания. В современном мире существует множество приборов теплового действия.

Оглавление:

• Теоретическая основа
• Закон Джоуля-Ленца
• Практические опыты
• Параметры, влияющие на нагрев
• Использование в быту

Теоретическая основа

Для того чтобы разобраться, почему при прохождении электрического тока проводник нагревается, нужно знать, что по нему движутся отрицательно заряженные электроны. В процессе их перемещения они постоянно сталкиваются с микрочастицами металла, передавая им энергию и приводя их в движение.

Теплота при прохождении тока выделяется по той причине, что кинетическая энергия молекул и атомов проводника постоянно возрастает.

В результате поток электронов повышает внутреннюю энергию проводящего элемента.

Отсюда вытекают 2 следствия:

• Чем больше сопротивление, тем больше нагрев проводника. Причем это явление имеет прямо пропорциональную зависимость.
• Количество теплоты в электричестве увеличивается в зависимости от силы тока.

Если рассмотреть этот процесс с точки зрения закона сохранения энергии, то сила тока движущихся электронов, сталкивающихся с микрочастицами металла, падает.

Однако она не может исчезнуть бесследно. Идет ее превращение в тепловую энергию проводника.

Закон Джоуля-Ленца

На основании существующего закона Джоуля-Ленца количество выделяющейся теплоты в проводе пропорционально квадрату силы тока, времени его прохождения и существующему сопротивлению металла.

Расчет величины ведется по формуле:

Q = I ² RT, где

Q — выделившаяся теплота;

I — сила проходящего тока;

R — сопротивление металла проводника;

Т — время, в течение которого идет протекание тока.

В том случае, когда сила тока неизвестна, но есть возможность измерить напряжение, формула изменяется. Согласно закону Ома I = U / R.

Это значение подставляется в основную формулу:

Q = I ² RT = (U / R)² RT.

После сокращения получается окончательный вид:

Q = (U ² / R) Т.

Использовать эти формулы можно только в том случае, когда протекающий через проводник ток является постоянным и работает исключительно на нагревание. Если идет выполнение какой-либо механической работы, то расчеты носят другой характер.

Практические опыты

Для того чтобы проверить, как изменится температура проводника в зависимости от колебания параметров силы токи и сопротивления, можно провести некоторые опыты. Они носят следующий характер:

• Собирается цепь, в которую включаются источник питания и 2 нагревателя с разным сопротивлением. При прохождении электричества нагреватель с большим сопротивлением нагревается сильней. Это доказывает, что нагрев зависит от величины сопротивления.
• В электрическую цепь, кроме источника питания, подключаются лампочка, амперметр и реостат. Подается напряжение и лампочка загорается. Регулируя реостатом сопротивление при постоянном напряжении, нить накаливания будет изменять свою яркость. Это указывает на зависимость температуры проводника от силы тока.

Такие физические опыты должны проводиться в специальных лабораториях.

Параметры, влияющие на нагрев

Процесс нагрева проводов относится к негативному явлению, с которым требуется бороться. В противном случае произойдет повышенный расход энергии или возгорание цепи. Чтобы этого не происходило, нужно контролировать следующие показатели:

• Сечение провода. Этот размер должен выдерживать максимально допустимую нагрузку без нагрева. Расчет ведется с учетом влияния окружающей среды, поскольку проводник находится не в вакууме.
• Теплопроводность материала. Для проводников используется цветной металл: медь, алюминий.
• Разность температур между проводником и окружающей средой. Металл быстрее отдает тепло при большом температурном перепаде.

При разработке электрических цепей все эти факторы должны приниматься во внимание.

Использование в быту

Несмотря на негативные последствия нагрева, это явление находит применение на практике. Например, существуют нагреватели, где повышение температуры проводящих элементов взято за основу. Примером могут служить:

• электрочайники;
• фены;
• паяльники;
• сварочные аппараты.

С открытием электромагнитной индукции получил распространение метод нагрева высокочастотными токами.

Этим способом можно быстро нагреть индукционные плавильные печи или домашние плиты.

Все эти приборы разработаны на основе знания закона Джоуля-Ленца. Только применяя существующие формулы, можно сделать правильный расчет агрегата и выбрать проводящие материалы нужного сечения.

Не успеваете написать работу?

Заполните форму и узнайте стоимость

Вид работыПоиск информацииДипломнаяВКРМагистерскаяРефератОтчет по практикеВопросыКурсовая теорияКурсовая практикаДругоеКонтрольная работаРезюмеБизнес-планДиплом MBAЭссеЗащитная речьДиссертацияТестыЗадачиДиплом техническийПлан к дипломуКонцепция к дипломуПакет для защитыСтатьиЧасть дипломаМагистерская диссертацияКандидатская диссертация

Контактные данные — строго конфиденциальны!

Указывайте телефон без ошибок! — потребуется для входа в личный кабинет.

* Нажимая на кнопку, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Подтверждение

Ваша заявка принята.

Ей присвоен номер 0000.
Просьба при ответах не изменять тему письма и присвоенный заявке номер.
В ближайшее время мы свяжемся с Вами.

Ошибка оформления заказа

Кажется вы неправильно указали свой EMAIL, без которого мы не сможем ответить вам.
Пожалуйста проверте заполнение формы и при необходимости скорректируйте данные.

электрических цепей — Почему нагреваются токоведущие провода?

спросил 9 лет, 7 месяцев назад

Изменено 7 лет, 3 месяца назад

Просмотрено 88 тысяч раз

$\begingroup$

Очевидно, провода тоже нагреваются, но почему? И по той же причине, почему мы получаем электрические ожоги?

• электрические цепи

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Когда электричество проходит через что-либо — провода или ткани тела — в нем (обычно) движутся настоящие электроны. Эти электроны увлекаются электрическим полем, но они также сталкиваются с атомами, из которых состоит провод или ткань тела. Когда электрон сталкивается с атомом, он передает часть своей кинетической энергии этому атому. Температура — это просто форма кинетической энергии, из которой вы вычитаете «объемное движение». Если атомы в проводе или телесной ткани неподвижны, это означает, что вся кинетическая энергия, которая передается им, измеряется как температура. То есть атомы нагреваются. Этот процесс называется «джоулевым нагревом», и в нем используется тот же принцип для проводов, что и для телесных тканей.

$\endgroup$

$\begingroup$

Ток в проводнике возникает из-за дрейфа электронов внутри проводника в направлении, противоположном потоку электронов Во время своего дрейфа они сталкиваются со своими атомами, колеблющимися около своего среднего положения, и теряют часть кинетической энергии колеблющихся атомов, что увеличивает амплитуду колебаний атомов тепловой энергии металла с соответствующим повышением температуры проводника

$\endgroup$

$\begingroup$

Все провода, по которым течет электрический ток, имеют электроны, движущиеся по проводу. Причина, по которой провода нагреваются при протекании по ним тока, заключается в том, что батарея преобразует химическую энергию в электрическую потенциальную энергию. Эта электрическая потенциальная энергия передается электронам, и, поскольку электроны пытаются минимизировать свою электрическую потенциальную энергию, электроны преобразуют эту электрическую потенциальную энергию в кинетическую энергию. Из-за того, что провода имеют электрическое сопротивление, что означает, что они сопротивляются движению электронов, электроны сталкиваются с атомами снаружи провода, и часть их кинетической энергии передается атомам в виде тепловой энергии. Эта тепловая энергия заставляет провод нагреваться. Электрические ожоги возникают, когда вы держитесь за провод, и за счет теплопередачи часть этой тепловой энергии передается вам. Когда провода становятся достаточно горячими из-за постоянного поступления тепла, вам будет передаваться больше тепла, если вы прикоснетесь к проводу, и все это избыточное тепло может вызвать ожоги и пожары.

$\endgroup$

1

термодинамика — Почему сильноточные проводники нагреваются намного сильнее, чем высоковольтные проводники?

$\begingroup$

120 вольт x 20 ампер = 2400 ватт

Однако, если я увеличил напряжение и уменьшил ток, вы также можете использовать меньший размер провода (более недорогой), а также иметь меньше тепла и достичь той же мощности в ваттах.

1000 вольт x 2,4 ампера = 2400 ватт

1. Почему не греется как ток?
2. Мне этот подход кажется более эффективным и менее затратным, потому что вы не используете столько материала, так почему же он не распространен?

• термодинамика
• электрический ток
• напряжение
• мощность

$\endgroup$

1

$\begingroup$ 92 R$, где $I$ — ток, а $R$ — сопротивление. Нагрев происходит, когда движущиеся заряды (электроны) неупруго сталкиваются с молекулами в проводнике (то есть передают молекуле некоторую кинетическую энергию).

Помните, ток определяется как количество заряда, проходящего через данное место в единицу времени. Тогда имеет смысл, что чем больше заряда проходит через пятно, тем больше происходит столкновений и, следовательно, тем больше рассеивается тепла.

Вот почему в линиях электропередач для передачи используется высокое напряжение, чтобы обеспечить большую мощность при меньшем токе. 92}{Р}$. Важно первое уравнение, которое показывает, что при фиксированном сопротивлении удвоение тока увеличивает потери мощности в проводнике в четыре раза. Поэтому лучше использовать меньший ток.

$\endgroup$

$\begingroup$

1. Дело в том, что на концы проводов не действует разность потенциалов, равная полному напряжению. Концы проводов отличаются по потенциалу только на (небольшое) падение напряжения $\Delta V = R\,I$, где $R$ — сопротивление провода.