При прохождении электрического тока по проводнику температура проводника

При прохождении электрического тока по проводнику температура проводника

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,713
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

Закон Джоуля-Ленца и тепловое действие тока

Как известно, электрический ток имеет нагревательный эффект. Преодолевая сопротивление проводника, электрический ток выполняет работу, в процессе которой в проводнике выделяется тепло. Свободные электроны при своем движении сталкиваются с атомами и молекулами и при этих столкновениях механическая энергия движущихся электронов переходит в тепловую.

Зависимость тепловой энергии от силы тока в проводнике определяется по закону Джоуля-Ленца. При прохождении электрического тока по проводнику количество тепла, выделяемого током в проводнике, прямо пропорционально силе тока, взятой во второй степени, величине сопротивления проводника и времени действия тока.

Если количество тепла обозначать буквой Q, силу тока в а — I , сопротивление в ом — R и время в секундах — t, то математически закон Джоуля-Ленца можно представить так:

П ри а = 1 количество тепла Q получится в джоулях. П ри а = 0,2 4 количество тепла Q получится в малых калориях . Коэффициент 0,24 в формуле фигурирует потому, что ток в 1 а в проводнике с сопротивлением в 1 ом за 1 секунду выделяет 0,24 малых калорий тепла. Малая калория служит единицей для измерения количества тепла. Малая калория равна количеству тепла, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1° С .

Этот закон независимо друг от друга открыли в 1840-м году английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Христианович Ленц. Этот физический закон определяет количество теплоты Q, выделяемой в проводнике при прохождении через него электрического тока.

Эксперимент по закону Джоуля-Ленца

Закон Джоуля-Ленца дает связь между тепловой энергией, сопротивлением току и временем:

• Если ток через проводник увеличится, то увеличится и тепловыделение.
• Точно так же при постоянном напряжении и времени, если мы увеличим сопротивление, тепловая энергия также увеличится.
• Тот же случай произойдет, если мы увеличим время прохождения тока через ток.

Температура

Термодинамическая температура является мерой теплового движения частиц, из которых состоит вещество. Единица – К (кельвин). Температура по Цельсию — это температура, указанная в градусах Цельсия ( о C). 0 К = -273,16 о С

Помимо термодинамической температуры, выраженной в градусах Кельвина, используется температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия.

Шкала Цельсия имеет ноль при температуре тройной точки воды, при которой вода находится во всех трех состояниях вместе при нормальном атмосферном давлении (1013 гПа). Единица такая же, как и по шкале Кельвина.

Применение закона Джоуля-Ленца

Преобразование электрической энергии в тепловую обычно происходит напрямую. Это тепло может быть полезным, например, в электротепловых приборах, или нежелательным, например, в электродвигателях и лампочках.

Преобразование электрической энергии в тепловую используется в электротепловых приборах. Обычно они состоят из нагревательной катушки, через которую проходит электрический ток. По этому принципу работают спиральные плиты, утюги, бойлеры, паяльники, электрические печи сопротивления, аквариумные нагреватели, плавкие предохранители и т. д.

Однако мы должны понимать, что закон сохранения энергии все еще действует. Он говорит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но количество ее при этих превращениях остается прежним, энергия не создается и не уничтожается.

Потери энергии

Основным недостатком нагревательного эффекта электрического тока являются потери энергии, переходящие в тепло, и перегрев электрических установок и машин.

В подавляющем большинстве случаев нагревательный эффект нежелателен. По этой причине некоторые электрические и электронные устройства нуждаются в радиаторах, чтобы избежать чрезмерного нагрева.

Часть подаваемой электроэнергии преобразуется в тепловую энергию, которая рассеивается в виде тепла. Следовательно, вырабатываемое тепло – это потеря энергии и, как следствие, снижение коэффициента полезного действия (КПД) электроустановки.

Передача электроэнергии на расстояние

Воздушные линии электропередач передают электрическую энергию от производителей электроэнергии к потребителям. Однако эти линии электропередач имеют ненулевое сопротивление и подвержены нагревательному эффекту пои протекании по ним электрического тока, вызывающему потери при передаче.

Существует два решения для минимизации потерь при передаче электроэнергии на расстояние:

• Уменьшить сопротивление проводников.
• Увеличить напряжение, чтобы уменьшить силу тока в соответствии с законом Ома.

Электрические нагревательные устройства

Электрический обогреватель или плита, электрические радиаторы и электрический утюг. Все они основаны на том же принципе, что и при протекании электрического тока по проводу. Они содержат катушки из нихрома (сплав никеля и хрома) и большие токи через них можно пропустить порядка 3-5 ампер.

В случае электронагревателя, работающего на 220 вольт и потребляющего мощность 1000 ватт, ток через катушки будет 4,55 ампер. Сопротивление катушки будет 48,4 Ом.

В случае электрических излучателей катушку располагают вдоль оси параболического металлического отражателя или в фокусе вогнутого отражателя.

Лампы накаливания

Тепло может быть произведено светом, а свет также может быть произведен теплом. Комбинация видимого света и инфракрасного излучения генерирует тепловое излучение, которое вызывает повышение температуры при воздействии на объект.

Тепловое излучение, как и электромагнитная волна, имеет большую энергию (тепло) с короткой длиной волны. Из-за своего волнообразного свойства и природы частиц содержащаяся в нем энергия может передаваться объекту. Когда энергия объекта достаточно высока, он может излучать видимый свет.

Хорошим примером является вольфрамовая нить в лампе накаливания. Даже если температура не очень высока, инфракрасный свет постоянно излучается при температуре выше нуля градусов Кельвина. Поэтому свет и тепло сосуществуют и могут трансформироваться из одного в другое.

Электрические лампы накаливания обычно заполнены аргоном или криптоном. В лампочке вольфрамовая нить (из-за ее высокой температуры плавления) нагревается до большой температуры, чтобы излучать достаточное количество видимого света.

Также существуют специальные инфракрасные нагревательные лампы накаливания, которые не используются для освещения, а только для локального обогрева.

Плавкий предохранитель

Итак, тепло всегда выделяется в проводнике, когда в нем проходит ток. Однако, чрезмерный нагрев проводников и электротехнических устройств допускать нельзя, так как это приведет к их повреждению. Особенно опасен перегрев при коротком замыкании проводов, то есть при электрическом соединении проводников, подводящих электрическую энергию к потребителю.

Чем меньше сечение проводника, тем больше сопротивление, а также сильнее нагревается проводник. Плотность тока также влияет на температуру. При большей плотности тока проводник нагревается до более высокой температуры.

При коротком замыкании обычно сопротивление остающихся под током проводников ничтожно, ток из-за этого достигает большой силы, и тепло выделяется в таком количестве, которое вызывает аварию.

Для предохранения от коротких замыканий и чрезмерных перегревов в цепь включаются плавкие предохранители. Они представляют собой небольшие куски тонкой проволоки или пластинки, которые перегорают как только ток достигает определенной величины.

Температура, до которой нагревается проволока, прямо пропорциональна кубу радиуса. Таким образом, температура зависит только от тока, протекающего по проводнику, и его радиуса независимо от его длины.

Выбор плавких предохранителей производится в зависимости от площади сечения проводов.

Смотрите также по этой теме:

Закон Джоуля-Ленца и электроконтактная сварка

Закон Джоуля-Ленца — это уравнение, которое определяет количество теплоты (энергии), переданной чему-либо. Разумно было бы предположить, что это количество тепла, подведенного в установках прямого нагрева сопротивлением или при электроконтактной сварке к сварному шву.

Однако важно учитывать все факторы в уравнении: ток, напряжение и время. Закон Джоуля-Ленца предполагает, что каждый из этих факторов остается постоянным во вторичной обмотке сварочного трансформатора.

Контроллер сварки или таймер сварки действительно могут обеспечить постоянную величину тока на электродах, но вспомните закон Ома: напряжение равно силе тока, умноженной на сопротивление, или, иначе говоря, сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление.

Такие факторы, как точечная коррозия или грибовидное образование электродов, загрязнение обрабатываемых деталей, изменение силы и т. д., влияют на площадь поверхности (площадь контакта) между электродом и свариваемыми детал ями .

Поскольку изменение площади поверхности влияет на контактное сопротивление (сопротивление площади поверхности), то разумно говорить, что сопротивление на изделии не является постоянным, а является фактором, который может меняться в зависимости от ряда других условий.

Если сопротивление непостоянно, то, согласно, ток также непостоянен. Это означает, что закон Джоуля-Ленца не покажет количество тепла, выделяемого на заготовке, если не известно сопротивление на контактах .

Проще говоря, чтобы определить, сколько тепла выделяется на изделии с помощью закона Джоуля-Ленца, необходимо измерить ток, напряжение или сопротивление на изделии.

Хотя контроллер сварки может быть запрограммирован на подачу тока 20 кА при напряжении 10 В, при наличии значительного сопротивления во вторичном контуре сварки тепло будет направляться туда, а не на заготовку.

Аналогичным образом, если электроды изношены или заготовка загрязнена, это повлияет на сопротивление и плотность тока. В такой ситуации контроллер может показывать 10 Вольт на вторичной обмотке, однако на самом деле на сварочных контактах может быть только 5 Вольт. Такое несоответствие может легко привести к плохим сварным швам.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Нагрівання проводу під дією електричного струму

Як відбувається нагрівання проводу під дією електричного струму? При проходженні по дроту електричного струму відбувається перетворення електричної енергії в теплову. Швидкість процесу перетворення електричної енергії в теплову характеризується потужністю P=UI.

Кількість тепла, що виділяється струмом а провіднику, пропорційно квадрату струму, опору провідника і часу проходження струму: Q = I2rt (Закон Джоуля-Ленца).

Перетворення електричної енергії в теплову має велике практичне значення для створення ламп розжарювання, нагрівальних приладів і електричних печей. Проте виділення тепла в проводах і обмотках електричних машин, трансформаторів, вимірювальних та інших приладів не тільки марна витрата електричної енергії, але і процес, який може принести до неприпустимо високого підвищення температури і до псування ізоляції проводів і навіть самих пристроїв. Кількість тепла, що виділяється в провіднику, пропорційно обсягу дроти і збільшенню температури, а швидкість віддачі тепла в навколишній простір пропорційна різниці температур дроти і навколишнього середовища.

У перший час після включення ланцюга різниця температур дроти і навколишнього середовища мала. Тільки невелика частина тепла, що виділяється струмом, розсіюється і навколишнє середовище, а велика частина тепла залишається в проводі і йде на його нагрівання. Цим пояснюється швидке зростання температури дроти в початковій стадії нагрівання.

У міру збільшення температури дроту зростає різниця температур дроти і навколишнього середовища до збільшується кількість тепла, що віддається дротом. У зв’язку з цим зростання температури дроти все більше сповільнюється. Нарешті, при деякій температурі встановлюється тепловоз рівновагу: за однаковий час кількість виділяється ст. проводі тепла стає рівним рассеивающемуся в зовнішнє середовище.

При подальшому проходженні неизменяющегося струму температура дроти не змінюється і називається сталою температурою.

Час нагрівання до усталеної температури неоднаково для різних провідників: нитка лампи розжарювання нагрівається за частки секунди, електрична машина через кілька годин (як показує аналіз, теоретично час нагрівання нескінченно велике, ми під часом нагрівання будемо розуміти час, протягом якого провід нагрівається до температури, обличающемся від усталеної не більш ніж на 1%).

Нагрівання ізольованих проводів не можна допустити вище певної межі, так як ізоляція при сильному перегріві може обуглиться або навіть загорітися, перегрів голих проводів веде до зміни механічних властивостей (натягу проводу).

Для ізольованих проводів нормами встановлена ​​гранична температура нагріву 55 — 100 ° С в залежності від властивостей ізоляції та умов монтажу. Струм, при якому встановилася температура відповідає нормам, називається гранично допустимим або номінальним струмом дроти. Значення номінальних струмів для різних перетинів проводів наводиться в спеціальних таблицях в ПУЕ та електротехнічних довідниках.

Потужність, що розвивається струмом в проводі, при якій настає теплова рівновага до встановлюється допустима температура, називається допустимою потужністю розсіювання.

Якщо по дроту проходить струм більше номінального, то провід виявляється «перевантаженим». Однак, оскільки встановилася температура досягається не відразу, короткочасно можна допустити в ланцюзі струм більше номінального (до моменту, поки температура дроту не досягне граничного значення). Занадто велика температура дроти, як правило, виходить при короткому замиканні.

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