ПОЧЕМУ ПРОВОДА НАГРЕВАЮТСЯ

РАДИОСХЕМЫ



СХЕМЫ И СТАТЬИ


РАДИОБЛОГИ
Транзисторный самодельный усилитель мощности НЧ

Аналоговый стрелочный Омметр

Измерение напряжения и тока по I2C

Гальваническая изоляция и буферизация шины I2C

Удлинитель шины I2C

Датчик заряда батареи электровелосипеда или самоката

Сборник даташитов к деталям на русском языке

Определение углового положения вращения двигателя



ПОЧЕМУ ПРОВОДА НАГРЕВАЮТСЯ


Давайте разберемся почему электрические кабели нагреваются, кто первым заметил это явление и что это означает для потребителя электроэнергии. Сопротивление в электрике говорит о том, насколько трудно электрическим зарядам пройти проводник. Основная, но не единственная задача перемещения электрических зарядов - доставить электричество от источника к устройству. Проблема в том, что электрический ток (и движение зарядов) может возникать только в специальных материалах, называемых проводниками - чаще всего это металлические провода. Ток - это непрерывная последовательность межмолекулярных столкновений.

Заряды, несущие энергию, не могут эффективно перемещаться между плотно уложенными атомами проводника. В результате они часто сталкиваются с ними, полностью теряя скорость. Почему это так важно? Скорость частицы показывает ее кинетическую энергию - чем быстрее движется объект, тем больше его энергия и тем серьезнее последствия столкновения с неподвижным препятствием.

Принцип сохранения энергии говорит, что энергия не может возникнуть или исчезнуть. Её можно лишь переносить от одного тела к другому. Ускоренный электрон врезается в атом металла и теряет скорость. Кинетическая энергия электрона не может исчезнуть просто так, поэтому атом становится ее получателем, хочет он того или нет. Импульс удара заставляет атом быстро вибрировать, что сопровождается повышением температуры. Если в течение короткого периода времени не произойдет дальнейшего столкновения, частица со временем успокоится, и накопленное тепло будет рассеиваться.

Проблема в том, что при протекании электрического тока возникает бесконечная череда таких столкновений. Нагретые атомы проводника даже не успевают остыть между столкновениями. Следовательно в проводнике постоянно накапливается тепловая энергия, а температура увеличивается.

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль интересовался этим явлением, он изучал сущность потока энергии в механических и электрических системах. В 22 года он провел серию экспериментов, состоящих в пропускании тока через проводник, погруженный в воду. Измеряя повышение температуры воды Джоуль пришел к выводу, что количество тепла, выделяемого проводом, зависит только от его сопротивления, силы тока и времени протекания. Он назвал этот закон своим именем, а математическое выражение таково:

Q = I^2 R t

Формула говорит что чем больше тепла (Q), тем выше значение тока (I), сопротивление проводника (R) и время (t) тока. Это открытие было спорным в то время - тепловая теория предполагала что оно должно отводиться от одного объекта, чтобы нагреть другой. И вдруг кто-то заявил, что провод выделяет тепло сам по себе! Но вскоре миру пришлось смириться с тем фактом, что теория тепловой энергии, выдвинутая Джоуля, была верной. Связь между силой трения и теплотой позволила ему вычислить, насколько выше температура воды внизу водопада, чем вверху, и сколько работы требуется, чтобы нагреть фунт воды на один градус по Фаренгейту. Количество способов получения тепла было большим, что доказало - это не более чем один из видов энергии.

Зависимость тепла от температуры

Тепло и температура - две очень разные величины, и их не следует путать. Вот графика, показывающая эту разницу:

Тепло - это энергия, которая вызывает повышение температуры объекта, и ее единица измерения - Джоуль [Дж]. Почему при одинаковом количестве энергии небольшая чашка воды нагревается сильнее чем сосуд большего размера? Объяснение простое. Полная энергия передаваемая объекту, равномерно распределяется между всеми его частицами. Чем больше молекул нужно разделить, тем меньше энергии остается для каждой из них. Более низкая энергия молекул означает, что они достигают более низкой температуры, единицей измерения которой является Кельвин (K), а в России используем градусы Цельсия.

Насколько сильно греется кабель?

Столкновение сопровождающее прохождение тока, является бесконечным источником кинетической энергии, которая увеличивает вибрацию проводника и увеличивает его температуру. Если в какой-то момент отключить электричество, эта энергия будет выделяться в окружающую среду в виде тепла. Но что, если ток проходит много часов? Согласно закону Джоуля, количество тепла, аккумулируемого в проводнике, должно со временем увеличиваться. Есть ли предел?

Выделение энергии в окружающую среду возможно благодаря частицам окружающего воздуха. Они получают тепловую энергию в процессе охлаждения. В физике воздух считается довольно плохим проводником тепла, но есть свойство которое помогает ему проводить это. А именно, чем выше разница температур между нагретым объектом и окружающей средой, тем быстрее происходит рассеивание тепла.

Что это значит для провода? Как только включается питание, когда провод еще холодный, он начинает очень быстро нагреваться. Но со временем, когда температура достигает значения в несколько десятков градусов, кабель начинает отдавать все больше тепла в окружающую среду, что замедляет его дальнейший нагрев. В конце концов дело доходит до того что скорость выделения энергии совпадает со скоростью нагрева, и повышение температуры проводника прекращается. Затем кабель достигает так называемой предельной температуры, что видно на графике:

Предел температуры для типичных кабелей

Что это за предельная температура? До какого значения может нагреваться кабель? И нагрев кабеля чем вредит? Чистая медь имеет температуру плавления примерно 1085 C. Но следует помнить, что типовой электрический кабель дополнительно снабжен изоляцией гораздо меньшей прочности. Стандартные оплётки выдерживают температуры примерно до 90 C, специальные - до нескольких сотен. Чтобы не превышать заданную температуру, кабель следует выбирать в соответствии с током, который планируем пропустить через него. Вот таблица значений, которой надо придерживаться:

Рабочий ток для изоляции с сопротивлением до 60 C, 75 C и 90 C

Сечение проводника [мм 2 ]    Сила тока [A] для 60 ° C    Сила тока [A] для 75 ° C    Сила тока [А] для 90 ° C

2,5    15    20    25
4    20    25    30
6    30    35      40
10    40    50    55
16    55    65    75
25    70    85    90
35     95    115    130
50    110    130    145

Чем больше поперечное сечение проводника, тем ниже его сопротивление и тем больше поверхность способная рассеивать тепло - следовательно проводник может выдерживать более высокую силу тока. Приведенная таблица применима только к теоретической ситуации - одиночный медный провод, подвешенный в воздухе при температуре 25 C. Фактически допустимая нагрузка кабеля зависит от многих других факторов, таких как способ прокладки, количество проводников в нём, температура окружающей среды или внешние условия. Правда производители электрических кабелей идут навстречу и предоставляют специальные таблицы, в которых учтены все факторы.

Сопротивление замедляет прохождение электрического тока. В результате кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию, запасенную в проводнике. 

Потери энергии

Сопротивление провода в основном зависит от трех факторов: материала, толщины и длины. Не проблема если шнур питания бытового прибора немного нагреется. При длине в несколько метров выделяемое количество тепла - несущественная трата энергии. Но что если длина провода составляет десятки километров? На каждый градус Цельсия выделяется огромное количество потраченного впустую тепла. По этой причине важная цель в электроэнергетике - минимизировать сопротивление линий электропередачь, что не просто. Слишком толстый провод начнет провисать под собственным весом, а единственный разумный материал, который можно использовать, - это алюминий. Следовательно, основным средством ограничения выделяемого тепла является повышение напряжения до уровня 110000 вольт. Благодаря этому можно передавать ту же мощность с помощью небольшого тока, что автоматически снижает температуру нагрева.

Электрическое отопление

Поскольку нет идеальных проводников, а каждый электрический провод все равно нагревается, может это выделяемое тепло использовать для чего-то? Обогреватели, фены, духовки, электрочайники - все эти устройства используют закон Джоуля для вырабатывания огромного количества тепла при относительно низком токе. Как это делается?

Поскольку сопротивление вырабатывает тепло, для создания нагревательных элементов следует использовать материалы с относительно высоким удельным сопротивлением. Чтобы обеспечить максимальное сопротивление и температуру, до которой нагревается такой элемент, он сделан из проводника с минимально возможным диаметром. Скатывая его дополнительно в спираль, получаем бОльшую поверхность теплообмена при тех же размерах.

Популярными материалами используемыми при производстве нагревательных элементов, являются хромоникелин (рабочая температура до 1130 C) и немного более дорогой кантал (рабочая температура 1300 C). Такая высокая рабочая температура означает чрезвычайно быстрый темп выделения энергии в окружающую среду.

В общем производство тепловой энергии - интересный побочный эффект сопротивления. С одной стороны, электроэнергетика отдала бы многое, чтобы избавиться от него, с другой - теплоэнергетика не могла бы существовать без сопротивления. А что касается ненужного нагрева токонесущих линий электропередач, возможно вскоре изобретут материалы с нулевым сопротивлением (сверхпроводники) и это позволит значительно снизить потери мощности.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ПОЧЕМУ ПРОВОДА НАГРЕВАЮТСЯ



ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ AMSR AIMTEC

Импульсные стабилизаторы напряжения AIMTEC AMSR и AMSRI - отличная замена для популярных 78xx / 79xx микросхем.


ПРИМЕНЕНИЕ МОТОРА ОТ HDD

Куда применить отжившие свой век моторы от винчестеров ПК - подключение такого двигателя и варианты идей.


РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

Теория и практика ОУ, описание работы и подключение типового операционного усилителя - микросхемы LM358.


УСИЛИТЕЛЬ НА МИКРОСХЕМАХ TDA73ХХ

Схема и сборка самодельного усилителя НЧ на TDA7379, TDA7375, TDA7377 или STA540.



   Радиосхемы » Теория электроники



© 2010-2022 "Радиосхемы". All Rights Reserved  Почта  PDA