Теплота выделяемая в проводнике с переменным током

Теплота выделяемая в проводнике с переменным током

Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца .

Мощность электрического тока равна отношению работы тока Δ к интервалу времени Δ, за которое эта работа была совершена:

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением и внешнего однородного участка с сопротивлением . Закон Ома для полной цепи записывается в виде

Умножив обе части этой формулы на Δ = Δ, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:

Первый член в левой части Δ = 2 Δ – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δ, второй член Δ_ист = 2 Δ – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.

Выражение Δ равно работе сторонних сил Δ_ст, действующих внутри источника.

Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами , действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.

Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением , но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки . Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.

Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна
Во внешней цепи выделяется мощность
Отношение равное
называется коэффициентом полезного действия источника .

На рис. 1.11.1 графически представлены зависимости мощности источника _ист, полезной мощности , выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением . Ток в цепи может изменяться в пределах от = 0 (при ) до (при = 0).

Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи _max, равная
достигается при = . При этом ток в цепи
а КПД источника равен 50 %. Максимальное значение КПД источника достигается при , т. е. при . В случае короткого замыкания полезная мощность = 0 и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль.

Теплота выделяемая в проводнике с переменным током

Репетитор по физике

Задача 2. Закон Джоуля-Ленца (Тепловое действие тока )

Какое количество теплоты выделится в спирали электроплитки за время (t=1 минута), если напряжение в цепи (U=220 В ), а сила тока в ней (I=2 А ? )
Дать ответ в килоджоулях.
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Запишем формулу закона Джоуля-Ленца и подставим числа:

(Q=2А cdot 220В cdot 60с=26400 Дж=26,4 Кдж)

Задача 3. Закон Джоуля-Ленца (Тепловое действие тока )

Какое количество теплоты выделит электрический паяльник за время (t=20 минут), если напряжение в его цепи (U=220 В ), а сила тока в ней (I=150 мА ? )
Дать ответ в килоджоулях.
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Запишем формулу закона Джоуля-Ленца и подставим числа:

(Q=0,15А cdot 220В cdot 1200с=39600 Дж=39,6 Кдж)

Задача 4. Закон Джоуля-Ленца (Тепловое действие тока )

Определить значение силы тока в нагревательном элементе заднего стекла легкового автомобиля, если за время ( t=30 ; секунд ) он выделяет количество теплоты (Q=720 Дж .) Напряжение бортовой сети автомобиля (U=12 Вольт )
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Запишем формулу закона Джоуля-Ленца и выразим силу тока,разделив обе части уравнения на (Ut ):

Задача 5. Закон Джоуля-Ленца (Тепловое действие тока )

Определить значение силы тока в спирали кипятильника, включенного в розетку с напряжением (U=220 Вольт, ) если за час его работы выделяется количество теплоты (Q=7,92 МДж. )
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Запишем формулу закона Джоуля-Ленца и выразим силу тока,разделив обе части уравнения на (Ut ):

Задача 6. Закон Джоуля-Ленца (Тепловое действие тока )

За какое время комнатный электрообогреватель , включенный в розетку с напряжением (U=220 Вольт, ) передаст комнате количество теплоты (Q=5,94 МДж, ) если сила тока в нем составляет (I=15 Ампер ?)
Ответ дать в минутах.
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Запишем формулу закона Джоуля-Ленца и выразим силу тока,разделив обе части уравнения на (IU ):

1800 секунд = 30 минут

Ответ: ( t= 30 минут )

Задача 7. Закон Джоуля-Ленца (Тепловое действие тока )

За какой промежуток времени в промышленной плавильной электопечи,включенной в сеть с напряжением (U=380 Вольт, ) выделится количество теплоты (Q=3,42 МДж, ) если сила тока в ней составляет (I=30 Ампер ?)
Ответ дать в минутах.
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Запишем формулу закона Джоуля-Ленца и выразим силу тока,разделив обе части уравнения на (IU ):

300 секунд = 5 минут

Ответ: ( t= 5 минут )

Задача 8. Закон Джоуля-Ленца (Тепловое действие тока )

Найти напряжение электрического обогревателя дизельного топлива, установленного в топливном баке грузового автомобиля, если за время (t=10 минут ) он выделяет количество теплоты (Q=28,8 кДж, ) при силе тока (I=2 ; ) Ампера.
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Запишем формулу закона Джоуля-Ленца и выразим напряжение,разделив обе части уравнения на (It ):

Расчет температуры нагрева проводника током

Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу). Температура проводника будет повышаться до тех пор, пока количество тепла, получаемое проводником, не станет равным количеству тепла, отдаваемому проводником окружающей среде. При этом температура достигнет установившегося значения.
Температура нагрева проводника зависит от величины тока в проводнике, сечения и материала проводника и условий охлаждения. Температура нагрева проводника не зависит от его длины, так как чем больше длина, тем больше поверхность охлаждения.

Если выбрать проводник из какого-либо материала и поместить его в определенные условия охлаждения, то нагрев такого проводника током будет тем больше, чем больше плотность тока в самом проводнике.

В целях экономии проводникового материала желательно, чтобы проводник был нагружен наибольшим током. Но для каждого проводника существует температура, выше которой проводник нельзя нагревать по целому ряду причин, в первую очередь по условиям теплостойкости изоляции. Так, например, проводники, имеющие в качестве изоляции резину, в целях предохранения изоляции от порчи не должны нагреваться выше 65°, а проводники с бумажной изоляцией — свыше 80°.

Приведем табл. 8 для выбора сечения проводов по длительно допустимой нагрузке на открыто проложенные изолированные шнуры, провода и кабели [4] с медными токопроводящими жилами с резиновой или полихлорвиниловой изоляцией при температуре окружающей среды +25°С и допустимой температуре нагрева + 55° С.

Выбор сечений проводов, кабелей и шин производят по наибольшему длительно допустимому току нагрузки (по условиям нагрева) и проверяют по потере напряжения.

Выбор сечения по току производят по таблицам, приведенным в «Правилах устройств электротехнических установок» (ПУЭ), которыми надлежит руководствоваться при проектировании, монтаже и эксплуатации электрооборудования.

Для того чтобы в условиях эксплуатации обеспечить определенную величину напряжения у потребителей, надо ограничить допустимую величину потери напряжения в проводах и кабелях, по которым энергия передается потребителям.

Уменьшение напряжения у потребителя ниже номинального приводит к уменьшению освещенности на рабочих местах, а также к уменьшению вращающего момента двигателей. Допустимая потеря напряжения для осветительных сетей внутренней проводки составляет не более 2,5%, в силовых сетях от питательного пункта до приемника —5 —10%.

Двигатель постоянного тока, работая в продолжительном режиме работы, потребляет ток 65
а
при напряжении 220
в.
Двигатель расположен на расстоянии 20
м
от питательного пункта.

Выбрать сечение медных проводов с резиновой изоляцией, проложенных открыто.

По таблице допустимых нагрузок (см. табл. находим, что по току 6Ь а

можно выбрать провод сечением 10
мм^.
Проверяем выбранное сечение провода по потере напряжения.

Потеря напряжения в линии (2 провода) будет:

что вполне допустимо.

Однако не всегда нагрев проводника является нежелательным. Тепловые действия электрического тока имеют разнообразное практическое применение, и тепло, выделяемое током, проходящим по проводнику, часто стараются получить в большом количестве. Ниже описаны некоторые случаи практического применения тепловых действий тока.

[4] Кабелем называют провод, состоящий из нескольких жил, свитых из медных или алюминиевых проволок и окруженных изолирующими и защитными оболочками. Кабели применяют для подземных и подводных линий.

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).

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Нагрев токоведущих частей при длительном протекании тока

Основные условия нагрева и охлаждения электрооборудования рассмотрим на примере однородного проводника, охлаждающегося равномерно со всех сторон.
Если через проводник, имеющий температуру окружающей среды, проходит ток, то температура проводника постепенно повышается, так как вся энергия потерь при прохождении тока переходит в тепло.

Скорость нарастания температуры проводника при нагреве током зависит от соотношения между количеством выделяющегося тепла и интенсивностью его отвода, а также теплопоглощающей способности проводника.

Количество тепла, выделенного в проводнике в течение времени dt, будет составлять:

где I — действующее значение тока, проходящего по проводнику, а; Ra — активное сопротивление проводника при переменном токе, ом; Р—мощность потерь, переходящих в тепло, вm. Часть этого тепла идет на нагрев проводника и повышение его температуры, а остальное тепло отводится с поверхности проводника за счет теплоотдачи.

Энергия, идущая на нагрев проводника, равна

где G — вес токоведущего проводника, кг; с — удельная теплоемкость материала проводника, em•сек/кг•град; Θ — перегрев — превышение температуры проводника по отношению к окружающей среде:

v и vо—температуры проводника и окружающей среды, °С.

Энергия, отводимая с поверхности проводника в течение времени dt за счет теплоотдачи, пропорциональна превышению температуры проводника над температурой окружающей среды:

где К — общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все виды теплоотдачи, Вm/см2 °С; F — поверхность охлаждения проводника, см2,

Уравнение теплового баланса за время неустановившегося теплового процесса можно записать в следующем виде:

Закон Джоуля-Ленца

На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:

• чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. То есть количество теплоты Q, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорционально величине сопротивления проводника R;
• чем больше сила тока, тем большее количества тепла выделяется. При возрастании тока большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени, то есть число столкновений возрастает, а значит больше энергии передается атомам проводника.

Формулу для вычисления количества тепла получили независимо друг от друга в 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль и российский ученый Эмилий Ленц:

Q — количество теплоты, Дж;

Согласно закону Ома:

где U — напряжение, В.

Пользуясь этой формулой, закон Джоуля-Ленца может быть представлен еще в одном варианте, когда известно напряжение на участке проводника, а сила тока неизвестна:

Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.

2.1. Общие сведения о нагреве проводников

Проводником

называется любое тело, по которому передается электрический ток. Обычно в качестве проводников применяются алюминиевые или медные шины, провода и кабели. Иногда, особенно в сетях постоянного тока, в качестве проводников используются стальные, более или менее массивные брусья, шины, швеллеры, трубы. При аварийных режимах, например пробое изоляции, проводниками могут оказаться металлические корпусы машин и разные конструкции [6].

Под словами нагрев (температура)

проводника обычно подразумевается нагрев (температура) токоведущих жил. Когда имеется в виду
нагрев (температура) изоляции или оболочек
, то это оговаривается особо.

Превышением нагрева (температуры) проводников

называется разность температур их жил и окружающей среды (воздуха, земли, воды), в которой проложены проводники вместе с их изолирующими и защитными оболочками или трубами.

Установившимся нагревом или установившимся превышением нагрева

называется такой нагрев или превышение нагрева, величина которого практически не изменяется или изменяется очень медленно в очень малых пределах.

В помещении с температурой воздуха 25°С проложены проводники. Так как они долго не были нагружены током, то, их температура равна 25°С. Когда проводники нагрузили током, их нагрев стал повышаться и после длительной нагрузки, достиг 65°С. Дальнейшее повышение нагрева практически не замечалось.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Нагревание проводников электрическим током

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.

Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник

Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.

Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .

Как рассчитать сечение по току?

Табличные значения не могут учесть индивидуальных особенностей устройства и эксплуатации сети. Специфика у таблиц среднестатистическая. Не приведены в них параметры максимально допустимых для конкретного кабеля токов, а ведь они отличаются у продукции с разными марками. Весьма поверхностно затронут в таблицах тип прокладки. Дотошным мастерам, отвергающим легкий путь поиска по таблицам, лучше воспользоваться способом расчета размера сечения провода по току. Точнее по его плотности.

Допустимая и рабочая плотность тока

Начнем с освоения азов: запомним на практике выведенный интервал 6 — 10. Это значения, полученные электриками многолетним «опытным путем». В указанных пределах варьирует сила тока, протекающего по 1 мм² медной жилы. Т.е. кабель с медной сердцевиной сечением 1 мм² без перегрева и оплавления изоляции предоставляет возможность току от 6 до 10 А спокойно достигать ожидающего его агрегата-потребителя. Разберемся, откуда взялась и что означает обозначенная интервальная вилка.

Согласно кодексу электрических законов ПУЭ 40% отводится кабелю на неопасный для его оболочки перегрев, значит:

• 6 А, распределенные на 1 мм² токоведущей сердцевины, являются нормальной рабочей плотностью тока. В данных условиях проводник работать может бесконечно долго без каких-либо ограничений по времени;
• 10 А, распределенные на 1 мм² медной жилы, протекать по проводнику могут краткосрочно. Например, при включении прибора.

Потоку энергии 12 А в медном миллиметровом канале будет изначально «тесно». От тесноты и толкучки электронов увеличится плотность тока. Следом повысится температура медной составляющей, что неизменно отразиться на состоянии изоляционной оболочки.

Обратите внимание, что для кабеля с алюминиевой токоведущей жилой плотность тока отображает интервал 4 – 6 Ампер, приходящийся на 1 мм² проводника.

Выяснили, что предельная величина плотности тока для проводника из электротехнической меди 10 А на площадь сечения 1 мм², а нормальные 6 А. Следовательно:

• кабель с жилой сечением 2,5 мм² сможет транспортировать ток в 25 А всего лишь несколько десятых секунды во время включения техники;
• он же бесконечно долго сможет передавать ток в 15А.

Приведенные выше значения плотности тока действительны для открытой проводки. Если кабель прокладывается в стене, в металлической гильзе или в пластиковом кабель канале, указанную величину плотности тока нужно помножить на поправочный коэффициент 0,8. Запомните и еще одну тонкость в организации открытого типа проводки. Из соображений механической прочности кабель с сечением меньше 4 мм² в открытых схемах не используют.

Изучение схемы расчета

Суперсложных вычислений снова не будет, расчет провода по предстоящей нагрузке предельно прост.

• Сначала найдем предельно допустимую нагрузку. Для этого суммируем мощность приборов, которые предполагаем одновременно подключать к линии. Сложим, например, мощность стиральной машины 2000 Вт, фена 1000 Вт и произвольно какого-либо обогревателя 1500 Вт. Получили мы 4500 Вт или 4,5 кВт.
• Затем делим наш результат на стандартную величину напряжения бытовой сети 220 В. Мы получили 20,45…А, округляем до целого числа, как положено, в большую сторону.
• Далее вводим поправочный коэффициент, если в нем есть необходимость. Значение с коэффициентом будет равно 16,8, округленно 17 А, без коэффициента 21 А.
• Вспоминаем о том, что рассчитывали рабочие параметры мощности, а нужно еще учесть предельно допустимое значение. Для этого вычисленную нами силу тока умножаем на 1,4, ведь поправка на тепловое воздействие 40%. Получили: 23,8 А и 29,4 А соответственно.
• Значит, в нашем примере для безопасной работы открытой проводки потребуется кабель с сечением более 3 мм², а для скрытого варианта 2,5 мм².

Не забудем о том, что в силу разнообразных обстоятельств порой включаем одновременно больше агрегатов, чем рассчитывали. Что есть еще лампочки и прочие приборы, незначительно потребляющие энергию. Запасемся некоторым резервом сечения на случай увеличения парка бытовой техники и с расчетами отправимся за важной покупкой.

Плюсы и минусы от нагрева электрическим током

• Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
• Минусы. Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца. И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.

Рис. 2. Бытовые нагревательные приборы: чайник, утюг, фен, электроплита.

Часто для быстрого соединения проводов многие пользуются способом “скрутки”. Это приводит к значительному увеличению сопротивления, а следовательно, место “скрутки” будет греться сильнее, чем остальная часть проводки. Поэтому скрутка проводов часто бывает причиной пожаров в домах и квартирах. Для улучшения контакта требуется хорошо пропаять это место.

Основные понятия

Любое металлическое изделие состоит из кристаллической решетки. Через нее проходят электроны, подвижные частицы, из-за чего электричество трансформируется в тепловую энергию. Данное свойство с успехом используется производителями обогревателей и осветительных приборов. Однако в обычных электрических системах перегрев кабеля недопустим, поскольку он со временем приведет к нарушению изоляцию и воспламенению. Поэтому важно подобрать правильное сечение проводников, чтобы те выдерживали допустимые (потенциальные) токовые нагрузки сети.
Для этого учитываются два термина:

• сечение провода;
• плотность тока.

Зависимость плотности тока от сечения
Даже если будет подобрано правильное сечение провода, он все равно может перегреться. Причин несколько: слабый контакт в местах соединения или окисления, связанные с недопустимой скруткой алюминиевой и медной жил.

Внимание! Нагрев проводника может быть связан с плохим контактом в местах присоединений или с окислением в точках, где скручены вместе алюминиевые и медные провода. Такое происходит даже при правильном подборе сечения.

Сечение провода

Выбор сечения токопроводящей жилы рассматривают по двум характеристикам:

• нагрев в допустимых пределах;
• потеря напряжения.

Нагревание проводников критично для подземных и помещённых в шланговые или трубчатые футляры кабельных линий. Для воздушных линий электропередач (ЛЭП) серьёзное значение имеет потеря напряжения. На комбинированных участках из двух рассчитанных сечений выбирается большее с округлением до стандартной величины.

Важно! При выборе сечения из таблицы или расчётах по формулам необходимо предварительно определиться с условиями эксплуатации.

Iр = Pн/Uн,

• Pн – номинальная мощность оборудования, Вт;
• Uн – номинальное напряжение, В.

Формула справедлива для токов, проходящих через проводник, когда температура уже установилась, и внешние температурные факторы на неё не оказывают влияния. Длительно допустимый ток зависит от: сечения, материала проводника, изоляции и способа прокладки кабеля.

∆U = (U – Uном) *100/ Uном,

• U – напряжения источника;
• Uном – напряжение в точке подключения приёмника.

Максимальное отклонение должно составлять не более 10%.

Таблица нагрузок по сечению кабелей

Плотность тока

• I – ток, А;
• S – площадь поперечного сечения, мм2.

Иными словами, плотность тока – это количество тока проходящего через сечение проводника за единицу времени. Единица измерения – ампер на мм квадратный (А/мм2).

Плотность тока

Открытая и закрытая прокладка проводов

Существует два варианта монтажа комнатной проводки:

• открытая прокладка;
• скрытая проводка.

Названия говорят сами за себя. Провода или кабели прокладываются вдоль стен, по их поверхности. Обычно они защищены кабель каналами или гофрированными шлангами. Крепление осуществляется при помощи специальной арматуры. Такой тип монтажа пригоден для производственных помещений, сараев, гаражей и других зданий, где дизайн не играет особой роли. Провод наружной установки должен выдержать атмосферные воздействия, если он не уложен в трубы или шланги.

Внимание! Минимальные сечения проводов одинаковы для обоих типов прокладки: 1 мм2 – для меди и 2,5 мм2 – для алюминия.

Распределительные коробки, выключатели и розетки устанавливаются на специальные изолирующие прокладки и имеют конструкцию для наружной установки.

Скрытая прокладка проводов подразумевает штробление стен под провод и остальную арматуру. Розетки, выключатели и распределительные коробки конструктивно предназначены для внутренней установки. Они утапливаются в стену до фасадной части. Наружные части имеют эстетический вид. Такая проводка скрыта под штукатуркой и обоями.

Таблица токовых нагрузок к сечениям медных и алюминиевых кабелей и проводов

В большинстве случаев для квартир применяют скрытый монтаж. При помощи перфоратора или штробореза в стене или на потолке создают специальные углубления, в которые укладывается кабель. Дополнительно он может быть помещен в гофрированные трубки или рукава. Спрятав кабель, углубления следует заделать при помощи штукатурки.

Укладка скрытой проводки в штробах

Условия теплоотдачи

Важным условием тепловой отдачи считается влажная среда, в которой находится кабель. При размещении провода в грунте теплоотвод напрямую связан со структурой и его составом, а также уровнем влажности.

Для получения наиболее точных величин придется проанализировать состав почвы, в зависимости от которого будет разным сопротивление. При помощи таблицы ищут удельное сопротивление. Благодаря качественной утрамбовке данная характеристика может быть уменьшена. Песок и гравий обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с глиной, поэтому в идеале провода засыпают последней. Вместо глины можно использовать суглинок без примесей шлака, камней и мусора.

Важно помнить о разных условиях охлаждения кабеля с изоляцией и без нее. В первом случае тепловые потоки, исходящие при нагреве жил, вынуждены преодолевать дополнительный барьер в виде изоляционного слоя.

Расположение кабеля в траншее

При подземной укладке кабеля, когда в одной траншее расположено сразу два проводника, процесс охлаждения существенно замедлится, что приведет к снижению допустимые токовых нагрузок.

С точки зрения электрической и пожарной безопасности, определение правильных длительно допустимого тока и сечения кабеля — важное условие, позволяющее исключить перегревы, нарушение изоляции и воспламенение кабельной линии. При расчетах следует быть внимательными и учесть множество дополнительных условий. Определенные корректировки нужны даже для табличных значений.

Занятие 14 Тепловое действие тока

В проводнике, по которому течет электрический ток, также как и во всех телах, есть движение молекул. При наличии тока в проводнике движущиеся электрические заряды усиливают движение молекул, что и является причиной повышения температуры проводника. Явление выделения тепла при протекании тока по проводнику может иметь как вредные последствия , так и приносить пользу. Например, с помощью электрического тока можно нагревать спираль электронагревательных приборов. Однако, протекая по изолированному проводу ток нагревает его изоляцию приводя ее к преждевременному износу и разрушению

б) Закон Джоуля-Ленца.

Количества теплоты, выделяемой током при прохождении по проводнику зависит от сопротивления проводника, силы тока и времени его прохождения.

Количественные соотношения, имеющие место при нагревании проводника током называются законом Джоуля — Ленца.

Где: Q – количество теплоты [Дж]

в) Элементы тепловой защиты электроаппаратов

Плавкие предохранители применяются для защиты электроустановок от токов короткого замыкания.

/>

Рис.14.1. Плавкие предохранители различных типов

Основным элементом предохранителя является плавкая вставка, которая сгорает (плавится) при значительном повышении тока в сети.

Защитное действие плавкого предохранителя основано на тепловом эффекте электрического тока. Протекая по плавкой вставке ток нагревает ее. Если величина тока значительно возрастает, то количество выделяемой током теплоты становится достаточным для расплавления плавкой вставки.

При расплавлении плавкой вставки электрическая цепь разрывается и потребитель обесточивается.

Этим способом достигается обеспечение сохранности дорогостоящего оборудования.

Рис.14.2. Плавкие вставки предохранителей

Контрольный опрос №1Напишите пары чисел и букв из первого и второго столбцов соответствующие определениям

болты контактной шайбы

Занятие 15. Аппараты управления

а) Кнопки управления

предназначены для замыкания и размыкания цепей дистанционного управления электродвигателями.

Комплект из нескольких кнопок «ПУСК» и «СТОП», объединенных в одном корпусе

называется кнопочной станцией.

Рис.15.1. Кнопки управления

б)Концевые и путевые выключатели

применяются для переключения цепей управления по мере передвижения элементов механизмов и для автоматического отключения механизма в конце его рабочего пути.

Рис.15.2. Концевые и путевые выключатели

в) Магнитный пускатель

— это распространенный электромагнитный аппарат для дистанционного и местного управления электродвигателями и другими установками, а также защиты их от перегрузок и токов короткого замыкания.

Рис.15.3. Магнитный пускатель

г)Тепловое реле

является составной частью магнитного пускателя.

Тепловые реле предназначены для защиты электродвигателей от перегрузок и токов короткого замыкания.

Действие теплового реле основано на изгибании биметаллической пластинки при ее нагревании током перегрузки.

Тепловое реле состоит (см.рисунок)

Рис.15.4. Внешний вид теплового реле и его схема

Работа теплового реле:

При перегрузке электродвигателя в линейных проводах протекают большие токи, значительно больше номинальных значений. Этот ток протекает через нагревательный элемент 2.

Элемент нагревается и нагревает биметаллическую пластинку 1.

Пластинка изгибается вверх, освобождая из зацепления рычаг 7.

Рычаг под действием пружины 4 поворачивается по часовой стрелке на оси 8 и приводит в движение тягу 5, при помощи которой контакты 6 цепи управления размыкаются.

Размыкание контактов в цепи управления магнитного пускателя приводит к разрыву силовой цепи. Электродвигатель отключается, что предотвращает выход его из строя при перегрузке.

При выключении силовой цепи нагревательный элемент 2 остывает, биметаллическая пластинка возвращается в исходное состояние.

Рычаг 7 возвращается в исходное состояние путем нажатия на кнопку возврата.