Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников
Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.
Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.
Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая, что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.
Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.
Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.
Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.
К примеру, для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.
Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.
Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.
С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.
Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.
Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.
Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.
Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.
Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.
Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, обслуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.
К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.
Как действует электрический ток на проводник
§ 39. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И ЕГО ДЕЙСТВИЯ. СИЛА ТОКА.
Заряженные частицы, двигаясь по проводнику, могут нагревать его, намагничивать и изменять его химический состав.
Упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике называют электрическим током. Кратковременный электрический ток, например, возникает в металлическом проводнике М, соединяющем два разноименно заряженных тела, А и Б (рис. 39а), когда под действием электрического поля его свободные электроны перемещаются от тела Б к А. Однако поток электронов между телами Б и А будет уменьшать заряды этих тел, и в конце концов, они станут незаряженными, и поле, вызвавшее электрический ток, исчезнет.
Электрический ток является результатом направленного движения свободных зарядов (электронов или ионов) в проводнике. В результате хаотичного (теплового) движения этих заряженных частиц направленного переноса заряда не происходит, а значит, электрический ток не возникает. Чтобы каждый раз не упоминать, какие частицы – ионы или электроны, переносят заряд в электрическом токе, за направление электрического тока условно принимается то направление, в котором бы двигались под действием данного электрического поля положительно заряженные частицы (см. голубую стрелку на рис. 39а).
Прохождение электрического тока сопровождается многочисленными явлениями или действиями, по которым можно судить о его существовании. По характеру воздействия эти явления можно разделить на тепловые, магнитные и химические:
(1) Электрический ток нагревает проводник, по которому он протекает (тепловое действие). При этом некоторые проводники, например, вольфрамовая спираль осветительной лампы нагревается так сильно (до 2500 о С), что начинает даже светиться. Другие проводники, например, медные провода, по которым ток течёт к лампе, практически не нагреваются. Тепловое действие тока не зависит от направления тока, а определяется его величиной и свойствами проводника.
(2) Электрический ток действует на намагниченные тела, например, поворачивает магнитную стрелку, первоначально ориентированную вдоль проводника с током, перпендикулярно направлению тока (магнитное действие). Следует отметить, что магнитное действие тока зависит от величины тока и его направления и не зависит от вещества, из которого сделан проводник. Поэтому считают, что магнитное действие электрического тока – это его наиболее характерная черта, которая проявляется во всех проводниках.
(3) Электрический ток, проходя через растворы или расплавы электролитов, может разлагать их на составные части в результате процесса, называемого электролизом (химическое действие). Например, при пропускании тока через воду она разлагается на водород и кислород, и пузырьки этих газов образуются на электродах, между которыми пропускают электрический ток. В металлических проводниках электрический ток не вызывает никаких химических изменений.
Чем больше электрический ток, тем большее действие на проводник он оказывает. Чтобы охарактеризовать величину тока, предположим, что проводник имеет форму цилиндра с поперечным сечением S (см. рис. 39б). Силой тока I называют отношение заряда D q , переносимого этим током через поперечное сечение проводника за интервал времени D t , к величине этого интервала:
Единицей силы тока в СИ является ампер (А). При силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 с проходит заряд в 1 Кл. Силу тока измеряют с помощью амперметров, в устройстве которых использовано магнитное действие электрического тока.
Если сила тока не изменяется со временем, то такой электрический ток называют постоянным. Условием существования постоянного электрического тока является наличие неизменного электрического поля в проводнике, или, другими словами, постоянного напряжения между концами проводника. Чтобы электрический ток через металлический проводник не прекращался, необходимо иметь устройство, перемещающее свободные электроны, пришедшие из Б в А, обратно в Б (см. рис. 39в). Такое устройство называют источником тока. Источник тока перемещает заряды на участке АБ против действующих на них электростатических сил.
Вопросы для повторения:
· Что такое электрический ток, и какое направление он имеет?
· Какие действия может оказывать электрический ток?
· Почему магнитное действие тока считают его самым характерным действием?
· Что называют силой тока, и в каких единицах её измеряют?
Рис. 39. (а) – кратковременный электрический ток между заряженными телами; (б) – к определению силы тока; (в) –п оддержание постоянного тока в металлическом проводнике М, соединяющем два заряженных тела.
Электрический ток. Тепловое действие тока
Ток — это направленное движение заряженных частиц. Ток в проводниках создается перемещением электронов, так как они могут двигаться в материале свободно, в отличие от зафиксированных в узлах решеток атомов.
Сила тока равна величине заряда, проходящего в единицу времени через проводник
\(I\) — сила тока, \(\lbrack A\rbrack\) ;
\(q\) — перемещенный через проводник заряд, \(\lbrack Кл\rbrack\) ;
\(t\) — время перемещения заряда, \(\lbrack с\rbrack\) ;
Проводник, через который проходит заряд, оказывает определенное сопротивление перемещению этого заряда. Связь между разностью потенциалов на концах проводника (напряжением), силой тока в участке цепи, и сопротивлением цепи носит название закона Ома.
Закон Ома для участка цепи имеет вид
\(I\) — сила тока \(\lbrack A\rbrack\) ;
\(U\) — напряжение (разность потенциалов) \(\lbrack B\rbrack\) ;
\(R\) — сопротивление \(\lbrack Ом\rbrack\) ;
Сопротивление проводника — это его физическая характеристика, не зависящая от силы тока в цепи или напряжения, и зависящая только от размеров проводника и материала из которого он изготовлен.
Сопротивление проводника равно
\(R\) — сопротивление \(\lbrack Ом\rbrack\) ;
\(I\) — длина проводника \(\lbrack м\rbrack\) ;
\(\rho\) — удельное сопротивление проводника \(\lbrack Ом\ \cdot м\rbrack\) ;
\(S\) — площадь поперечного сечения проводника \(\lbrack м^\rbrack\)
Параллельное и последовательное соединение проводников.
При последовательном соединении общее сопротивление равно сумме сопротивлений всех источников сопротивления \(R = R_ + R_ + R_ + \ldots + R_ + R_\) , где
R — общее сопротивление всех источников сопротивления, \(\lbrack Ом\rbrack\)
сопротивление каждого из источников сопротивления в цепи, \(\lbrack Ом\rbrack\)
\(n\) — количество всех источников сопротивления в цепи.
Сила тока на каждом из источников сопротивления при последовательном соединении, и общая сила тока на участке цепи, одинаковы \(\ I = I_ = I_ = I_ = \ldots = I_ = I_\) , где
\(I\) — сила тока на участке цепи, \(\lbrack A\rbrack\)
\(I_,I_,I_,\ldots,I_,I_ -\) сила тока на каждом из источников сопротивления в цепи, \(\lbrack A\rbrack\)
Напряжение в участке цепи равно сумме напряжений на каждом из источников сопротивления
\(U = U_ + U_ + U_ + \ldots + U_ + U_\) , где
\(U\) — напряжение на участке цепи, \(\lbrack B\rbrack\)
\(U_,U_,U_,\ldots,U_,U_ -\) напряжение на каждом из источников сопротивления в цепи, \(\lbrack B\rbrack\)
При параллельном соединении общее сопротивление источников сопротивления вычисляется как \(\frac = \frac
Общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов равно
Сила тока в цепи при параллельном соединении равна \(I = I_ + I_ + I_ + \ldots + I_ + I_\) .
Напряжение в цепи и на каждом из источников сопротивления одинаковы \(\ U = U_ = U_ = U_ = \ldots = U_ = U_\) .
Заряженные частицы в цепи всегда стремятся перемещаться по пути наименьшего сопротивления. Если хотя бы одна из ветвей цепи не нагружена сопротивлением — то весь ток будет перемещаться по ней. На рисунке показан пример цепи, у которой одна из ветвей — верхняя — не имеет сопротивления. Именно по ней пройдет весь ток, а общее сопротивление цепи будет равно нулю.
Электрическая энергия и важность проводников
Узнаем о важности проводника в передаче электроэнергии.
Поток электронов через проводник создает электрический ток. По определению, два существенных фактора способствуют электрическому току. Во-первых, вам понадобится поток электронов, который определяется разностью потенциалов. Следующим является проводник — материал, который позволяет электронам течь.
Но зачем электричеству нужен проводник, чтобы преодолевать расстояния? Почему он просто не проходит через какой-либо материал? Давайте рассмотрим!
Как электричество течет через проводник?
Чтобы понять потребность в проводнике, мы должны сначала понять, как электроны движутся через проводник и как они ведут себя в изоляторе. В проводнике слабые электростатические силы могут раскачивать электроны во внешней оболочке, также называемой орбитой. Это означает, что ядро атома недостаточно сильное, чтобы удерживать все электроны внутри атома.
Когда мы прикладываем электрический потенциал или ЭДС (электродвижущая сила) на концах проводника, плохо удерживаемые электроны освобождаются от атомов и начинают двигаться внутри проводника. Этот поток электронов создает электрический ток, который переносит электрическую энергию от источника ЭДС. Если мы возьмем к примеру медь, каждый её атом имеет 29 электронов. Первая оболочка или самая внутренняя оболочка атома меди имеет 2 электрона. Вторая оболочка имеет 8 электронов, что является максимумом, который она может вместить. Третья оболочка имеет 18 электронов, а внешняя оболочка имеет только 1 электрон. Такое расположение делает электрон во внешней оболочке очень подвижным и чувствительным к электрическим полям. Это также причина, почему медь является отличным проводником электричества.
Что делает изолятор?
Изолятор является противоположностью проводника, где материал не имеет много свободных электронов для перемещения между ними. Это происходит, когда электроны в атоме плотно удерживаются ядром, что делает их очень устойчивыми к воздействию ЭДС. Итак, проводимость в первую очередь зависит от атома и его характеристик.
Чем резистор отличается от изолятора?
Резисторы находят широкое применение в электрических цепях для контроля тока. Но если проводники обеспечивают поток электричества, а изоляторы блокируют его, то каково назначение резисторов? Резисторы уменьшают электрический ток, проходящий через цепь, ограничивая протекание тока. В отличие от изолятора, резистор не блокирует протекание электрического тока. Он просто ограничивает поток электрического тока до определенной степени. И вы можете точно настроить уровень сопротивления резистора, так как существуют разные уровни для резисторов.
Что делает металлы хорошими проводниками электричества?
Как мы уже говорили выше, поток электричества возможен, только если в материале движутся электроны. Внешняя оболочка атома является одним из лучших способов определения проводимости материала. Металлы имеют неполную внешнюю оболочку. Это означает, что внешняя оболочка атома металла имеет меньше электронов, чем может полностью вместить. Таким образом, эти электроны могут свободно перемещаться в металле, просто применяя достаточную электродвижущую силу. Такие материалы, как резина, имеют плотную внешнюю оболочку в своих атомах. Таким образом, даже если вы примените достаточно большую ЭДС к материалу, это не позволит атомам течь. Это причина, почему мы используем производные резины или пластика для изоляции медных проводов. В общем, материалы, которые имеют полную внешнюю орбиту или оболочку, являются хорошими изоляторами. И материалы с менее чем четырьмя внешними электронами являются отличными проводниками. Металлы имеют менее 4 электронов на своих внешних орбитах.
Как текут электроны в проводнике?
Когда мы используем термин «поток» к электронам, это иногда приводит к неправильной интерпретации того, что электроны с одной стороны проводника будут перетекать на другую, тогда как сам проводник действует как магистраль. Однако это не так электроны движутся внутри проводника. Электрон, выпущенный из одного атома, переместится во внешнюю оболочку соседнего атома. Это движение создает нестабильность внутри атома, что приводит к непропорциональному количеству электронов и протонов. Следовательно, атом из внешней оболочки переходит на другой соседний атом. И этот процесс продолжает повторяться. Следовательно, электрон с одной стороны проводника не переходит напрямую на другую сторону. Вместо этого он перемещается к другому атому и заставляет внешнюю оболочку электрона этого атома перемещаться к следующему.
Происходит ли поток электронов в проводниках без ЭДС?
Да, даже без ЭДС валентные электроны в проводнике находятся в постоянном движении от одного атома к другому. Однако направление электронов находится в случайном порядке. Таким образом, общий заряд проводника нейтрализуется, следовательно, равен нулю.
Какие электрические проводники самые лучшие?
Мы используем медь в большинстве электрических применений. Тем не менее, лучший электрический проводник — серебро. Серебро имеет в общей сложности 47 электронов с одним валентным электроном во внешней оболочке. Высокая энергия этого электрона делает его уязвимым для движения даже от очень маленькой ЭДС. Эта характеристика серебра делает его отличным проводником. Однако из-за высокой цены использование серебра в электротехнике ограничено.
Медь является вторым наиболее электропроводящим металлом с 29 электронами и одним валентным электроном во внешней оболочке. Медь имеет 8.5×1028 свободных электронов на кубический метр при комнатной температуре. Золото является третьим наиболее эффективным проводником. Он имеет 79 электронов с одним валентным электроном во внешней оболочке. Организм человека также является хорошим проводником электричества из-за присутствующих в нем ионов (калия, натрия, железа и т. д.). Эти ионы свободно перемещаются через жидкости организма и делают наши тела восприимчивыми к электрическим зарядам.
Электричество, несомненно, является захватывающим и интригующим явлением. Однако без проводников было бы невозможно использовать эту энергию так, как мы делаем это сегодня. Проводники — мосты для электричества, и они работают, чтобы наши устройства были включены и готовы к использованию.