פעולה תרמית של זרם, צפיפות זרם והשפעתם על חימום מוליכים

על ידי הפעולה התרמית של זרם חשמלי מובן שחרור האנרגיה התרמית במהלך מעבר זרם דרך מוליך. כאשר זרם עובר במוליך, האלקטרונים החופשיים היוצרים את הזרם מתנגשים ביונים ובאטומי המוליך ומחממים אותו.

ניתן לקבוע את כמות החום המשתחררת במקרה זה חוק ג'ול-לנץ, הנוסח כך: כמות החום המשתחררת במהלך מעבר זרם חשמלי דרך המוליך שווה לתוצר של ריבוע הזרם, ההתנגדות של מוליך זה ולזמן שלוקח לזרם לעבור במוליך.

אם ניקח את הזרם באמפר, ההתנגדות באו"ם והזמן בשניות, אנו מקבלים את כמות החום בג'אול. ובהינתן שמוצר הזרם וההתנגדות הם המתח, ותוצר המתח והזרם הוא הכוח, מסתבר שכמות החום שמשתחררת במקרה זה שווה לכמות האנרגיה החשמלית המועברת למוליך זה במהלך מעבר זרם דרכו. כלומר, אנרגיה חשמלית מומרת לחום.

קבלת אנרגיה תרמית מאנרגיה חשמלית הייתה בשימוש נרחב מאז ימי קדם בטכניקות שונות. תנורי חימום חשמליים, כמו תנורי חימום, תנורי חימום מים, תנורים חשמליים, מגהצים, תנורים חשמליים וכו ', כמו גם ריתוך חשמלי, מנורות ליבון ועוד ועוד, משתמשים בעקרון זה כדי לייצר חום.

אך במספר גדול של מכשירים חשמליים, החימום הנגרם על ידי זרם מזיק: מנועים חשמליים, שנאים, חוטים, אלקטרומגנטים וכו '- במכשירים אלה שאינם מיועדים לייצור חום, חימום מפחית את היעילות שלהם, מפריע לפעולה יעילה ואף יכול להוביל למצבי חירום.

עבור כל מוליך, בהתאם לפרמטרים הסביבתיים, ערך קביל מסוים של הערך הנוכחי מאפיין בו המוליך אינו מתחמם באופן ניכר.

כך, למשל, כדי למצוא את עומס הזרם המותר על החוטים, השתמש בפרמטר "צפיפות נוכחית", המאפיין את הזרם לכל מ"ר אחד משטח החתך של מוליך זה.

צפיפות הזרם המותרת עבור כל חומר מוליך בתנאים מסוימים שונה, זה תלוי בגורמים רבים: על סוג הבידוד, קצב הקירור, טמפרטורת הסביבה, שטח חתך וכו '.

לדוגמה, עבור מכונות חשמליות, בהן הסיבובים נעשים, ככלל, של נחושת, צפיפות הזרם המרבית המותרת לא תעלה על 3-6 אמפר למ"ר. למנורת ליבון, וביתר דיוק עבור נימת הטונגסטן שלה, לא יותר מ -15 אמפר למ"ר.

עבור חוטי תאורה ורשתות חשמל, צפיפות הזרם המותרת המרבית נלקחת על בסיס סוג הבידוד ושטח החתך.

אם חומר המוליך הוא נחושת, והבידוד הוא גומי, אז עם שטח חתך של למשל 4 מ"מ רבועים, צפוי צפיפות זרם של לא יותר מ- 10.2 אמפר למ"ר, ואם חתך הכניסה הוא 50 מ"מ רבוע, צפיפות הזרם המותרת תהיה רק 4.3 אמפר למ"ר אם למוליכי האזור המצוין אין בידוד, אזי צפיפות הזרם המותרת תהיה 12.5 ו -5.6 אמפר למ"ר, בהתאמה.

מה הסיבה להורדת צפיפות הזרם המותרת למוליכים של חתך רוחב גדול יותר? העובדה היא שלמוליכים עם שטח חתך משמעותי, בניגוד למוליכים בחתך קטן, יש נפח גדול יותר של חומר מוליך שנמצא בפנים, ומסתבר שהשכבות הפנימיות של המוליך עצמן מוקפות בשכבות חימום שמפריעות להסרת החום מבפנים.

ככל ששטח הפנים של המוליך גדול יותר ביחס לנפחו, כך צפיפות הזרם גבוהה יותר לעמוד ללא התחממות יתר. מוליכים שאינם מבודדים מאפשרים חימום לטמפרטורה גבוהה יותר, מכיוון שחום מועבר ישירות מהם לסביבה, בידוד אינו מעכב זאת, וקירור מהיר יותר, ולכן מותר להם צפיפות זרם גבוהה יותר מאשר למוליכים בבידוד.

אם חריגה זרם מותר למנצח, הוא יתחיל להתחמם יתר על המידה, ובשלב מסוים הטמפרטורה שלו תהיה מוגזמת. בידוד מתפתל המנוע, הגנרטור, או סתם החיווט, יכול להיות חרוך או להצית בתנאים אלה, מה שיוביל לקצר ולשריפה. אם מדברים על חוט לא מבודד, אז בטמפרטורה גבוהה הוא יכול פשוט להמיס ולשבור את המעגל בו הוא משמש כמוליך.

בדרך כלל מונעים מעבר לזרם המותר. לפיכך, במתקנים חשמליים ננקטים בדרך כלל אמצעים מיוחדים להתנתקות אוטומטית ממקור הכוח שחלק מהמעגל או מקלט החשמל בו הוא קרה מעל זרם קצר או קצר. לשם כך, השתמש במפסקי מתח, נתיכים והתקנים אחרים הנושאים פונקציה דומה - כדי לשבור את המעגל בזמן עומס יתר.

עולה מחוק ג'ול-לנץ כי התחממות יתר של מוליך יכולה להתרחש לא רק בגלל עודף זרם דרך חתך הרוחב שלו, אלא גם בגלל התנגדות גבוהה יותר של המוליך. מסיבה זו, להפעלה מלאה ואמינה של כל התקנה חשמלית, ההתנגדות חשובה ביותר, במיוחד במקומות בהם מוליכים בודדים מחוברים זה לזה.

אם המוליכים אינם מחוברים חזק, אם המגע שלהם זה עם זה אינו איכותי, אז ההתנגדות בצומת (מה שנקרא התנגדות למגע) יהיה גבוה יותר מאשר עבור קטע אינטגרלי של מוליך באותו אורך.

כתוצאה ממעבר זרם דרך חיבור כה גרוע, לא מספיק צפוף, מקומו של חיבור זה יחמם יתר על המידה, רצוף אש, שריפת מוליכים או אפילו שריפה.

בכדי להימנע מכך, קצות המוליכים המחוברים קלופים, מצופים פח באופן מהימן ומצוידים במכות כבלים (מולחמים או לחוצים) או שרוולים המספקים מרווח להתנגדות המעבר בנקודת המגע. ניתן לקבע את העצות הללו בחוזקה למסופי המכונה החשמלית באמצעות ברגים.

למכשירים חשמליים המיועדים להפעיל ולכבות את הזרם, ננקטים גם אמצעים להפחתת התנגדות המעבר בין המגעים.

ראה גם בנושא זה:

כיצד להגן על החיווט מפני עומס יתר וקצר

שטח חתך של חוטים וכבלים, בהתאם לחוזק הנוכחי, חישוב חתך הכבלים הנדרש