От каких причин зависит нагрев проводника?
Нагрев проводника зависит лишь от двух причин. Это от тока который по нему идет и от теплосъёма с этого проводника. С током, надеюсь понятно. Чем больше ток, тем больше и тепловыделение. Если ток значительно больше, чем может выдержать проводник (его поперечное сечение) , то проводник вспыхивает белым пламенем и перегорает, иногда устраивая пожары.
Большую роль играет и теплосъем. Именно поэтому не рекомендуется держать удлинители в катушках. Лучше при применении их разворачивать, обеспечивая приток воздуха к проводам. Тогда они не так сильно греются. Если же планируете использовать проводник в катушке, ток должен быть несколько меньше предельного для данного сечения. Иначе можете сплавить в один кусок всю изоляцию на своем проводнике. И вместо катушки получите кусок чего-то непонятного слипшегося в одну массу. И это если не будет короткого замыкания. С другой стороны применение вентиляторов в блоках питания, сварочных устройствах и прочих электрических приборах, позволило значительно сократить габариты и вес многих электрических аппаратов. Но при этом вентиляторы должны быть очень надежными и при выходе их из строя автоматически должны отключаться и сами электроприборы, во избежании повышенного тепловыделения.
система выбрала этот ответ лучшим
в избранное ссылка отблагодарить
Денис Мирный [214K]
Количество тепла (нагрев) выделяемое проводником одинаковое и в Сибири, и в Африке, в развернутом виде или в виде катушки. То, что вы описали называется рассеиванием тепла, которое зависит от плотности прилегания этих витков. Количество тепла суммируется и изоляция плавится. Это следствие, а не причина. Сам проводник при этом больше тепла не выделяет. — 3 года назад
Безразличный [276K]
Если вы думаете, что я не знаю закон Джоуля с Ленцем, то ошибаетесь. Мы тут разбираемся, как простому человеку правильно понимать, что будет, если через проводник пропустить ток, и что будет с ним в тех или иных обстоятельствах. Сугубо утилитарно. Проводники мы используем только медь и алюминий. У них удельные сопротивления отличаются не очень сильно. Поэтому R из формулы Ленца можем исключить. И что останется? Ток в квадрате, о котором я и написал, и время. А вот время и будет определяться теплоотводом. Будет успевать тепло уходить, проводник не будет перегреваться. Не будет теплоотвод — проводник перегреется, изоляция оплавится. Так в чем я не прав? — 3 года назад
комментировать
Груст ный Родже р [440K]
3 года назад
Как-то народ слишком странно понял слова «причина нагрева проводника» и ударился в феноменологию. Рассказывая, как проявляется нагрев, рассказывая, как вычисляется тепловой эффект, рассказывая, как повлиять на степень нагрева, — но так и не объяснив, почему вообще ток нагревает проводник.
Физическая причина теплового действия тока — взаимодействие подвижных носителей заряда с кристаллической решёткой проводника.
Вот это взаимодействие и вызывает нагрев.
Если «на пальцах», то электрическое поле разгоняет электроны, и они начинают двигаться. Всё быстрее и быстрее. Но увы — металл не вакуум, и рано или поздно электрон втемяшится во что-нибудь, из чего металл состоит. Это соударение неупругое, а значит, часть своей кинетической энергии, накопленной за время разгона, он отдаёт тому, во что втемяшился. Вот эта энергия и вызывает разогрев проводника.
Если не на пальцах, а немного глубже, то рассеяние энергии происходит не на атомах кристаллической решётки, а на акустических фононах — тепловых колебаниях решётки, которые для анализа удобнее описывать как квазичастицы (фононы). Взаимодействие электронов и фононов приводит к обмену энергиями — именно колебаниям решётки электроны свою энергию и передают. Ну а колебания решётки — это и есть температура.
И если фононов становится мало (при сверхнизкой температуре), то у электронов появляется возможность объединиться в пары — куперовские пары (в таких парах у электронов противоположно направленные спины, то есть это магнитное взаимодействие, а не электростатическое). Размер куперовских пар существенно превышает постоянную решётки, поэтому электроны движутся в металле как бы не замечая его присутствия. Что проявляется как сверхпроводимость.
Нагревание проводников током
Так как количество тепла, выделяемое током при прохождении его по проводнику пропорционально времени, то температура проводника должна бы непрерывно возрастать, пока по проводнику идет ток. На самом же деле при продолжительном пропускании тока по проводнику устанавливается некоторая постоянная температура, хотя в этом проводнике продолжается непрерывное выделение тепла.
Объясняется это явление тем, что всякое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, отдает тепловую энергию в окружающую среду благодаря тому, что:
- во-первых, само тело и тела, соприкасающиеся с ним, обладают теплопроводностью ;
- во-вторых, слои воздуха, прилегающие к телу, нагреваются, подымаются вверх и уступают место более холодным слоям, которые опять нагреваются, и т. д. (конвекция тепла) ;
- в-третьих, благодаря тому, что нагретое тело излучает в окружающее пространство темные, а иногда и видимые лучи, затрачивая на это часть своей тепловой энергии (лучеиспускание).
Все перечисленные потери тепла тем больше, чем больше разность температур тела и окружающей среды. Поэтому, когда температура проводника сделается настолько высокою, что все количество тепла, отдаваемое проводником в окружающее пространство в единицу времени, будет равно количеству тепла, выделяемому в проводнике каждую секунду электрическим током, то температура проводника перестанет возрастать и сделается постоянной.
Потеря тепла проводником при прохождении по нем тока слишком сложное явление для того, чтобы зависимость температуры проводника от всех обстоятельств, влияющих на скорость охлаждения тела, может быть получена теоретическим путем.
Некоторые выводы, однако, могут быть сделаны на основании теоретических соображений. Между тем вопрос о температуре проводников имеет большое практическое значение, при всех технических расчетах сети, реостатов, обмоток и т. п. Поэтому в технике пользуются эмпирическими формулами, правилами и таблицами, дающими зависимость между сечениями проводников и допустимой силой тока при различных условиях, в которых находятся проводники. Некоторые качественные соотношения можно предвидеть и легко установить опытным путем.
Очевидно, что всякое обстоятельство, которое уменьшает влияние одной из трех причин охлаждения тела, повышает температуру проводника. Укажем некоторые из таких обстоятельств.
Неизолированный прямолинейный проводник, натянутый горизонтально, имеет более низкую температуру, чем такой же проводник при той же силе тока в вертикальном положении, так как во втором случае нагретый воздух поднимается вдоль проводника, и замена нагретого воздуха холодным происходит более медленно, чем в первом случае.
Проводник, свернутый в спираль, нагревается гораздо больше, чем такой же проводник при той же силе тока, вытянутый в прямую линию.
Проводник, покрытый слоем изоляции, нагревается сильнее, чем не изолированный, так как изоляция всегда дурной проводник тепла, и температура на поверхности изоляции гораздо ниже температуры проводника, поэтому охлаждение этой поверхности потоками воздуха и излучением гораздо меньше.
Если проводник поместить в водород или светильный газ, обладающие большей теплопроводностью, чем воздух, то температура проводника при той же силе тока будет ниже, чем в воздухе. Наоборот, в углекислоте, теплопроводность которой меньше, чем у воздуха, проволока нагревается сильнее.
Если проволоку поместить в пустоту (вакуум), то конвекция тепла совершенно прекратятся, и нагревание проволоки будет значительно больше, чем в воздухе. Этим пользуются при устройстве лампочек накаливания.
Вообще, охлаждение проводников потоками воздуха имеет главное значение среди других факторов охлаждения. Всякое увеличение поверхности охлаждения понижает температуру проводника. Поэтому пучок тонких параллельных проводников, не соприкасающихся друг с другом, охлаждается гораздо лучше, чем толстый проводник такого же сопротивления, сечение которого равно сумме сечений всех проволок пучка.
Чтобы приготовить реостаты сравнительно малого веса, применяют в качестве проводников очень тонкие полоски металла, гофрируя их для уменьшения длины.
Так как количество тепла, выделяемое током в проводнике, пропорционально сопротивлению его, то в случае двух проводников одинакового размера, но различного вещества, тот проводник, удельное сопротивление которого больше, нагревается до более высокой температуры.
Уменьшая сечение проводника, можно увеличить сопротивление его настолько, что температура его достигнет температуры плавления. Этим пользуются для предохранения сети и приборов от порчи токами большей силы, чем та, на которую приборы и сеть рассчитаны.
Для этого в цепь проводов вводят так называемые плавкие предохранители, представляющие собою короткие проводники из легкоплавкого металла (серебра или свинца). Сечение этого проводника рассчитывают так, чтобы при некоторой определенной силе тока этот проводник расплавился.
Данные, которые даются в справочных таблицах относительно поперечного сечения предохранителей на различные силы токов, относятся к предохранителям, длина которых не менее определенных размеров.
Очень короткий предохранитель охлаждается лучше, чем длинный, вследствие хорошей теплопроводности медных зажимов, с которыми он соединен и, следовательно, плавится при несколько большей силе тока. Кроме того длина предохранителя должна быть такова, чтобы при расплавлении его между концами проводов не могла образоваться электрическая дуга. Таким образом наименьшая длина предохранителя определяется в зависимости от напряжения сети.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Причина нагрева электрических проводов
Безопасность эксплуатации электроприборов и оборудования зависит от многих факторов, которые обязательно должны учитываться при выполнении электромонтажных работ. Одним из главных среди этих факторов является нагрев электрических проводов в процессе эксплуатации. Это свойство, которым обладает любой провод, в значительной степени определяет правила устройства проводки и выполнения подключений потребителей электроэнергии, определяет выбор кабеля и допустимую величину подключаемой нагрузки. Почему же провод греется при прохождении через него электричества?
Причины нагрева проводников кроются в самой природе электрического тока. Как известно, ток представляет собой упорядоченное перемещение по проводнику заряженных частиц (электронов) под воздействием электрического поля. Кристаллическая решетка металлов обладает чрезвычайно высокими внутренними молекулярными связями, которые и приходится преодолевать электронам в процессе движения. В результате этого высвобождается значительное количество теплоты и происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Довольно грубо, но при этом наглядно, такое это можно сравнить с выделением теплоты при трении. Электроны проходят по проводнику и «трутся» об атомы кристаллической решетки металла, что и приводит к выделению тепла.
Преобразование электрической энергии в тепловую является одновременно и очень ценным свойством, и нежелательным эффектом. Именно эта особенность дает возможность использовать электроэнергию для нагревания в самых разных приборах и оборудовании, начиная от промышленных электрических печей, заканчивая бытовым электрочайником. На этом же эффекте основано действие любого электрического осветительного прибора. Другими словами, человек научился крайне эффективно использовать на практике свойство электрического тока нагревать проводники.
С другой стороны, такой нагрев может приводить к нежелательным, а зачастую – очень опасным последствиям. В частности, нагрев обмоток трансформаторов, электродвигателей и другого оборудования, снижает эффективность его использования. Превышение же определенной температуры может привести к выходу оборудования из строя. Говорить же о наиболее опасных последствиях можно в тех случаях, когда сверх определенной нормы нагревается электрический кабель или провод, используемый для подключения потребителей, например, проводка в квартире или кабель для подключения производственного оборудования. Превышение определенного значения температуры изолированного провода может привести к возгоранию изоляции. Даже если не происходит возгорания, то оплавление изоляции приводит к ухудшению ее свойств, что может стать причиной короткого замыкания. В этом случае вероятность возникновения возгорания зависит, главным образом, от эффективности срабатывания используемого защитного оборудования. Таким образом, нагревание кабеля является одним из главных пожароопасных факторов. Достаточно сказать, что именно замыкание проводки становится причиной значительного количества пожаров на жилых и коммерческих объектах. Помимо этого, длительный перегрев приводит к изменению механических свойств металла. Это может привести, например, к обрыву проводов воздушных линий электропередач, что также может быть связано не только с убытками, но и с возможной опасностью для людей.
Каждый кабель или изолированный провод имеет предельно допустимую температуру нагрева. Это значение зависит, прежде всего, от свойств используемой изоляции. Так температура провода с резиновой изоляцией не должна превышать 50-65 градусов, с бумажной изоляцией – 80 градусов. У проводов с изоляцией из современных полимерных материалов максимальная температура нагрева может достигать 100 градусов. Точно значение допустимой температуры нагрева указывается для каждой марки провода или кабеля производителем.
Ключевым условием, позволяющих предотвратить перегрев проводника и избежать его негативных последствий, является правильный выбор кабеля для подключения тех или иных потребителей. Чтобы правильно выбрать электрический кабель необходимо понимать, от каких факторов зависит степень нагрева электрического провода. Для этой цели необходимо обратиться к формулам из школьного курса физики.
Главной формулой, описывающей процесс преобразования электрической энергии в тепловую, является закон Джоуля-Ленца:
· Q – количество теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока по проводнику,
- I – сила тока,
- R – электрическое сопротивление проводника,
- t – время прохождения электрического тока по проводнику.
Эти формулы позволяют определить параметры, которые мы можем изменять для управления величиной и скоростью нагрева проводов. Сила тока зависит от номинальной мощности всех подключенных проводников. Это значение, от которого можно отталкиваться расчетах. Главным параметром, значение которого может изменяться, является электрическое сопротивление. Его величину определяют свойства металла проводника и сечение кабеля. Именно поэтому необходимо выбирать сечение кабеля по мощности. Это позволяет уменьшить электрическое сопротивление провода, что в свою очередь дает возможность сократить нагрев до допустимых пределов.
Выбирать сечение кабеля по мощности необходимо таким образом, чтобы обеспечить не только безопасности эксплуатации электросети, но и экономичность. При выборе кабеля с сечением больше необходимого возникают неоправданные расходы при электромонтажных проводках. С другой стороны, если в будущем планируется подключение дополнительных потребителей, то это также должно учитываться при выборе сечения кабеля в сторону его увеличения.
Чтобы определить необходимое сечение кабеля, в первую очередь, следует рассчитать значение максимального тока потребляемого нагрузкой. Для этого, необходимо суммарную номинальную мощность всех установленных потребителей разделить на напряжение. Исходя из значения тока, сечение кабеля по мощности определяется при помощи специальных таблиц, приведенных в «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ). Также можно воспользоваться приблизительным допустимым соотношением тока на сечение кабеля, которое дает достаточную точность. Так для медного провода допустимая сила тока составляет 10 ампер на квадратный мм2, для алюминиевого – 8 ампер на мм2. В случае монтажа скрытой проводки эти значения умножаются на поправочный коэффициент 0,8.
© Копирайт 2014 Кабельный центр «Элкаб»
Почему греются провода Статья
Вероятно, многие сталкивались с таким явлением, как нагрев проводов. Все мы догадываемся, что это плохо, но не всегда понимаем, почему так происходит. В этой статье мы попробуем разобраться в этом явлении.
Читайте также: Как делают провода
Что такое проводник
Проводник отличается от изолятора способностью проводить электрический ток. В свою очередь электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ими могут быть электроны или ионы. В изоляторах нет заряженных частиц в свободном состоянии. В таких материалах электроны прочно связаны с ядрами в атомах и покинуть их не могут. По этой причине изоляторы не способны проводить электрический ток.
Проводники устроены по-другому. В их структуре электроны с ядрами связаны не так прочно. Электроны могут стать свободными и хаотично перемещаться в толще материала. Если при этом появится разность потенциалов, электроны начнут синхронно двигаться в одном направлении. Соответственно, возникнет электрический ток.
При приложении разности потенциалов электроны в проводнике начинают двигаться в одну сторону
Что происходит в проводнике при прохождении тока
Электроны в проводнике не могут двигаться беспрепятственно. На своем пути они встречают другие электроны, ионы или атомы. Как результат, электроны теряют часть своей энергии. Но она не пропадает бесследно, а передается ионам или атомам кристаллической решетки материала.
В проводнике огромное количество свободных электронов, поэтому такая бомбардировка происходит очень активно. В результате увеличивается частота колебаний атомов или ионов кристаллической решетки, а именно этот параметр отвечает за повышение температуры. Таким образом, электроны являются одновременно причиной возникновения электрического тока и нагревания проводника.
Электроны в проводнике постоянно сталкиваются с ионами
Почему проводники греются по-разному
Действительно, проводники из разных материалов или при разных значениях напряжения греются по-разному. Чтобы объяснить эту особенность, мы будем использовать аналогии. Попробуем представить вместо проводника с током трубу с водой. Тогда напряжение – это напор воды, а величина тока – толщина ее струи. Роль сопротивления проводника будет играть некое пористое вещество, которое заполняет трубу.
Что же происходит при прохождении тока через проводник и что для этого нужно? В нашем случае надо добиться того, чтобы продавить через трубу некоторое количество воды. Для этого необходимо создать определенное давление (подать напряжение на проводник). Количество воды (величина тока), которое пройдет через трубу, зависит от трех факторов: проходимости трубы (сопротивления проводника), ее диаметра (сечения проводника) и поданного давления (напряжения).
Возвращаясь к классическому проводнику, можем сделать такие выводы:
- Пока напряжение невелико, проводники из разных материалов одинаково хорошо будут справляться с передачей тока.
- При возрастании напряжения проводники, обладающие бо́льшим сопротивлением, начнут греться. По этому принципу работает обычная лампа накаливания. В ней в качестве проводника используется вольфрамовая нить. Этот материал обладает высоким сопротивлением, поэтому при прохождении электрического тока нагревается до температуры свечения.
- При одинаковом напряжении и материале изготовления проводники, имеющие меньшее сечение, будут греться сильнее.
Как это использовать на практике
В наших домах напряжение в сети всегда одинаково и составляет 220 В. При этом величина тока может быть разной. Она зависит от того, что именно мы включим в розетку. Если это будет чайник мощностью 2,2 кВт, можно произвести следующие вычисления:
В этой формуле I – сила тока, Р – мощность включенного в сеть электроприбора, U – напряжение в сети. Подставим в нее известные нам значения. Получим следующий результат:
Итак, величина тока, который течет по проводам во время работы чайника, составляет 10 А. Дальше остается выяснить, проводники из каких материалов и какого сечения могут проводить такой ток, и именно их использовать на практике. Конечно, это упрощенный пример, но суть подхода к выбору проводов именно такова.
Читайте также: Как определить сечение провода
Какие последствия может вызвать нагревание проводов
При нагревании проводов ухудшаются свойства изоляции, она покрывается трещинами, а потом начинает крошиться. В результате возможно возникновение короткого замыкания. В лучшем случае в доме или в одном из его помещений некоторое время не будет электричества. В худшем – все закончится пожаром.
Проводник под током способен не просто нагреться, а раскалиться
Читайте также: Короткое замыкание: что это и как его предотвратить
Заключение
Провода могут нагреваться не только из-за своих характеристик, но и в местах соединений в результате плохого контакта. В этих точках возникает повышенное сопротивление и, как следствие, – они нагреваются. Поэтому так важно не только изначально правильно подбирать сечение провода, но и следить в дальнейшем за состоянием проводки.