Закон Джоуля — Ленца. Расчет сечения проводов по допустимому нагреву

1.Закон Джоуля — Ленца. Электрический ток — это упоря­доченное движение электрически заряженных частиц, которые при движении сталкиваются с атомами и молекулами вещества, отдавая им часть своей кинетической энергии. В результате проводник нагревается и электрическая энергия в проводниках преобразуется в тепловую. Скорость преобразования электри­ческой энергии в тепловую характеризуется мощностью . Таким образом, количество электрической энергии W, преобразуемое в тепловую энергию за время t,

. (5.1.)

По этой формуле определяется и количество выделенной в проводнике теплоты, выраженное в джоулях: . Формула является математическим выражением закона Джоуля — Ленца: количество электрической энергии, преобразуемой в про­воднике в тепловую энергию, пропорционально квадрату тока, электрическому сопротивлению проводника и времени прохожде­ния тока.

2. Расчет электронагревательных приборов. Тепловое действие электрического тока используется в электронагревательных при­борах: электрических печах, сушильных шкафах, электроплитах т. д.

В лампах накаливания электрический ток разогревает нить до такой температуры, что она начинает излучать свет. Количество выделенной теплоты прямо пропорционально сопротивлению проводника. Поэтому обмотки электронагревательных приборов изготовляются из сплавов высокого сопротивления (нихрома, фехраля и др.). Чем больше плотность тока , тем выше при про­чих равных условиях температура проводника. Плотность тока в нихромовой проволоке для электропечей принимают в пределах  Плотность тока в нихромовой проволоке реостатов берется в пределах .

Упрощенный расчет электронагревательного прибора произ­водится следующим образом: а) по заданной мощности Р и нап­ряжению U определяют ток , а затем сопротивление об­мотки нагревательного прибора  б) по току I и допусти­мой плотности  находят поперечное сечение провода обмотки  и округляют его до стандартного; в) по формуле  определяют длину обмотки нагревательного прибора. Температура включенных электронагревательных элементов за­висит от условий охлаждения (например, электрокипятильники нельзя включать в сеть без предварительного погружения в воду).

3.Расчет сечения проводов по допустимому нагреву. Выделе­ние теплоты в соединительных проводах, обмотках электрических машин, аппаратов и различных приборов — явление нежелатель­ное. Оно приводит к бесполезной потере электрической энер­гии, порче изоляции и может вызвать пожар. Поэтому для проводов установлена предельная температура нагрева. Напри­мер, для проводов с резиновой изоляцией она составляет 55 °С. Новые конструкции проводов и кабелей, разработанные на осно­ве пластмасс, синтетических лаков, волокнистых и других новых изоляционных материалов, рассчитаны на длительную работу при повышенных температурах. Максимальный ток, при длительном прохождении которого проводник не перегревается выше уста­новленной температуры, называется предельно допустимым или номинальным током провода. Значения номинальных токов про­водов с резиновой изоляцией в зависимости от их материала, способа прокладки и поперечного сечения приведены в табл. 5.1. Допустимые токовые нагрузки для проводов и кабелей других марок указываются в специальных справочниках.

Для того чтобы определить сечение проводов, питающих группу приемников энергии, нужно знать их общую мощность и напряжение U, по которым определяют ток проводов . Затем по таблицам выбирают сечение проводов.

Допустимая нагрузка при способе прокладки, А

4.Защита проводов от больших токов. Провода, проложенные от источника с ЭДС Е (рис. 5.1) к потребителю электрической энергии сопротивлением г, могут соединиться друг с другом не­посредственно (на рисунке показано пунктирной линией). Такое соединение двух проводов называют коротким замыканием. При­чиной замыкания могут быть повреждение изоляции проводов, неправильные действия обслуживающего персонала и др. При коротком замыкании ток в цепи  Если внутреннее сопротивление источника энергии  и сопротивление проводов гпр незначительны, то ток короткого замыкания во много раз больше номинального тока провода. При этом в проводах выде­лится огромное количество теплоты. В результате может возник­нуть пожар. Кроме того, при коротком замыкании резко увели­чивается потеря напряжения в сети, что приводит к снижению напряжения на всех приемниках, включенных в эту сеть парал­лельно. Для защиты проводов и источника электрической энер­гии от последствий короткого замыкания служат плавкие предох­ранители, автоматические выключатели, тепловые реле.

Предохранитель представляет собой легкоплавкую проволоку или пластину из меди, свинца или серебра, включенную в цепь последовательно с потреблением (рис. 5.2). Сечение плавкой вставки обычно меньше сечения защищаемых ею проводов. Поэтому при перегрузке она расплавится раньше, чем нагре­ются провода, и разорвет электрическую цепь. Сопротивление плавкой вставки настолько мало, что ее включение не влияет на токи, напряжения и мощности приемников энергии.

На рис. 5.3 показан пробочный предохранитель, состоящий из пробки 1 и патрона 2. Электрический ток по проводу 3 проходит винтовую поверхность патрона 4, пробки 5, плав кую вставку 6, контак­ты пробки 7, патрона 8 и выходит к проводу 9. В устройствах связи широко применяется трубчатый плавкий предохранитель (рис. 5.4). Его плавкая вставка 1 присоединена к металлическим колпачкам 2 и помещена в стеклянный баллон 3. На предохранителе указы­вается номинальный ток, т. е. предельно допустимый ток, кото рый длительное время может протекать

через предохранитель. При перегорании плавкой вставки в ней не должна по­являться электрическая дуга. Для этого длина вставки должна соответствовать Рис. 5.4    выключаемому напряжению, которое

также указывается на предохранителе. Выбор типа предохранителей для защи­щаемого участка сети производится по расчетному току этого участка и номинальному напряжению.