Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ

Так как проводник имеет активное сопротивление, он при протекании тока нагревается. Если считать активное сопротивление проводника R и ток / во времени постоянными, энергия, выделяющаяся в проводнике и превращающаяся в теплоту за время dt, будет равна

где кд коэффициент добавочных потерь, учитывающий повышение активного сопротивления из-за неравномерного распределения тока по сечению проводника (переменный ток повышенной частоты — поверхностный эффект, эффект близости и т. д.).

Тепловая энергия, выделяющаяся в проводнике, расходуется в двух направлениях: часть ее идет на нагрев проводника — на повышение его температуры, а другая часть отдается в окружающее пространство.

Энергия, идущая на нагрев проводника за время dt (Дж), равна

где с — удельная теплоемкость материала проводника Дж/(г-град); G — масса материала проводника, г; dx — изменение температуры проводника за время dt, град.

Таким образом, эта часть энергии зависит только от физических свойств материала проводника и его размеров.

Величина второй части энергии, выделенной в проводнике, очевидно, прежде всего, зависит от возможностей передачи теплоты в окружающее пространство, определяемых коэффициентом теплопередачи к, который выражается мощностью, выделяемой единицей поверхности нагретого тела в окружающее пространство при превышении температуры, равном одному градусу. Коэффициент теплопередачи зависит от физических свойств окружающей среды, формы поверхности тела и превышения его температуры.

На основании изложенного энергия, рассеиваемая в окружающее пространство за время dt (Дж), равна

где к — коэффициент теплопередачи, Вт/(см 2 трад); S — поверхность охлаждения, см 2 ; т — превышение температуры проводника 0 над температурой окружающей среды 0О.

На основании закона сохранения энергии из выражений (2.1)—(2.3) получаем дифференциальное уравнение нагрева проводника:

При охлаждении ток (/ = 0), и энергия в проводнике не выделяется; тогда из уравнения нагрева (2.4) получаем дифференциальное уравнение охлаждения проводника:

Как видно из выражения (2.3), по мере увеличения превышения температуры энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве, увеличивается. Поскольку общее количество энергии, выделяемой в проводнике, остается неизменным, то очевидно, что при определенной температуре нагрева получается такое состояние, когда вся энергия, выделяемая в проводнике, рассеивается в окружающем пространстве, а температура не повышается, т. е. т = туст и наступает установившийся режим. Это состояние называется тепловым балансом и характерно для любого установившегося режима.

Поскольку тусх = const, то dx = 0, и из уравнения (2.4) получим уравнение теплового баланса

Нагрев электрических аппаратов.

Источники тепловой энергии в электрических аппаратах:

1) Нагрев проводников с током, обычно он называется нагревом методом электрического сопротивления.

WQ = I 2 * R * t — закон Джоуля — Ленца.

Закон Джоуля — Ленца гласит, что в любом теле, обладающем электрическим сопротивлением, выделяется тепловая энергия пропорциональная квадрату тока, сопротивления электрического тела и времени протекания тока.

КД — Коэффициент добавочных потерь.

КП -коэффициент поверхностного эффекта

КБ — коэффициент близости.

Данная энергия идет на нагрев самого аппарата (токоведущих частей), нагрев прилегающих материалов и нагрев окружающей среды по законам теплопередачи (теплопроводности, конвекции и теплового излучения).

2) Энергия, выделяющаяся в деталях их ферромагнитных материалов (в нетоковедущих частях):

2.1. Магнитопроводы, предназначенные для усиления магнитного поля, создаваемого проводником с током.

Причина нагрева:

а) Потери от вихревых токов

Рассмотрим элемент магнитопровода.

При прохождении переменного магнитного потока по магнитопроводу в нем появляется ЭДС согласно закону электромагнитной индукции:

Под действием этой ЭДС появляется ток, который называется вихревым, такого направления при котором создаваемые им магнитные потоки противодействуют изменению основного магнитного потока (правило Ленца).

При протекании вихревых токов по магнитопроводу, согласно закону Джоуля – Ленца, происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

Читайте так же:
Какое должно быть сечение провода для теплого пола

Для уменьшения потерь данного вида, магнитопроводы выполняются шихтованными из пластин электротехнической стали толщиной 0,2 ¸ 0,5 мм, тщательно изолированных друг от друга. Этим самым исключается контур протекания вихревого тока.

б) Потери на гистерезис — это энергия, затраченная на поворот доменов.

Полные потери в магнитопроводе вычисляются по формуле:

PЖ — мощность железа

KT = 1,9 ¸ 2,6 — коэффициент потерь на гистерезис ;

KВ = 0,4 ¸ 1,2 — коэффициент потерь на вихревые токи;

f — частота сети;

Bm — амплитуда вектора магнитной индукции;

GT — масса магнитопровода [кг].

2.2. Потери в конструкциях аппарата.

Выделение потерь в стальных элементах конструкции происходит аналогично, что и в магнитопроводе.

Для снижения потерь используются следующие мероприятия:

а) Введение немагнитных зазоров на пути магнитного потока.

б) За счет надевания на стальные конструкции короткозамкнутого витка с малым активным сопротивлением. При этом в нем индуцируется ЭДС, протекает ток, от которого возникают магнитные потоки, направленные встречно основному.

в)При токах выше 1000 А не должно быть стальных деталей, а все детали должны быть изготовлены из немагнитных материалов (алюминий, бронза, немагнитные чугуны, пластмассы).

3)Выделение энергии в диэлектрике.

Изоляция моделируется следующей схемой замещения:

С — ёмкость изоляции; tg(d) = 0,005 ¸ 0,0001

При появлении дефектов в отдельных местах изоляции возникают местные тепловые выделения, которые способны вызвать тепловой пробой изоляции (изоляция обугливается и становится проводящей).

4) Другие виды источников теплоты в электрических аппаратах:

4.1. Энергия выделяемая в электрических дугах.

4.2. При трении между собой отдельных элементов электрических аппаратов.

Нагрев электрических аппаратов вызывает ускоренное старение изоляции и повышает скорость окисления электрических контактов, что в конечном итоге снижает срок службы электрического аппарата.

Уравнение теплового баланса при нагреве однородного проводника во времени при продолжительном режиме работы.

Тепловая энергия, выделяемая в проводнике с током может быть разделена на две составляющие:

1.Нагрев самого проводника

2.Нагрев окружающей среды.

Уравнение теплового баланса в дифференциальной форме:

С — удельная теплоемкость [Дж/кг´град]

G — масса проводника [кг]

F — поверхность проводника, т.е. поверхность теплоотдачи [м 2 ]

Кт — коэффициент теплоотдачи [Вт/м 2 ´град]

Коэффициент теплоотдачи определяет то количество теплоты, которое отдается за 1с всеми видами теплопередачи с 1 м 2 теплоотдающей поверхности при разности температуры нагретого тела и окружающего пространства в 1°С

Кт = 10 ¸ 16 на воздухе

Кт = 25 ¸ 100 в масле.

t — это превышение температуры проводника над температурой окружающей среды. Эта величина является переменной (различна для каждого момента времени при нагреве).

dt — приращение данного превышения за время dt.

Разделим каждый член уравнения ( * ) на C ´ G ´ dt

t — превышение температуры проводника над температурой окружающей среды в начале процесса нагрева при t = 0.

tУ — установившееся превышение температуры. Ищется из уравнения теплового баланса, поскольку в установившемся режиме dt = 0. Тогда:

T — постоянная времени нагрева

Т = [ c ]- это время, за которое нагревался бы проводник до значения QУСТ (установившееся температура), если бы отдачи тепла в окружающую среду не было.

В установившемся режиме все выделяемое тепло отдается в окружающую среду. В обоих случаях нагрева нагрев до установившейся температуры происходит за одно и то же время, изменяется лишь скорость нагрева.

Т — всегда может быть рассчитана.

Если время нагрева не превышает 0.1*T (tнагр. < 0.1*T), то потерями в окружающей среде пренебрегают.

Чем больше Т, тем медленнее нагревается проводник.

Допустим ток, протекающий по проводнику, прекратился:

При tO = ty кривая охлаждения является зеркальным отображением кривой нагревания.

Каждый электрический аппарат имеет какую-то свою допустимую температуру, т.е.

Читайте так же:
Устройство теплового реле тока

КТ — коэффициент теплоотдачи

F — поверхность, с которой испускается тепло.

IДОП — ток, который допустимо пропускать по проводнику, кабелю, электрическому аппарату. При этом температура аппарата (кабеля, провода) не превышает допустимое значение. Такой ток называется длительно допустимым.

Для электрических аппаратов этот ток как правило называется номинальным, т.е. это ток, длительное протекание которого не вызывает нагрева электрического аппарата сверх допустимой температуры.

Дата добавления: 2016-06-29 ; просмотров: 6164 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Научный форум dxdy

Последний раз редактировалось talyan 25.05.2013, 14:38, всего редактировалось 1 раз.

Нужна помощь с решением задачи:
По медному цилиндрическому проводнику(r=0.5 cm,Удельная проводимость =5,7 cdot 10 ^ 7См/м ) течет постоянный ток,создающий перпендикулярный к поверхности вектор П $=10 B cdot c /m ^ 2$. Оперделить поток мощности через боковую поверхность(на длине 1 м) и ток внутри проводника .
Поток мощности я нашел через двойной интеграл $intint $П dSперешел к цилиндрическим координатам и проинтегрировал по $int_<0 data-lazy-src=

Надо умножить постоянное значение вектора Пойнтинга (по модулю) на площадь указанной части поверхности цилиндра (это простая школьная формула).

К Вам контрольный вопрос: вектор Пойнтинга направлен внутрь провода или наружу?

О силе тока позже поговорим.

Последний раз редактировалось svv 25.05.2013, 15:03, всего редактировалось 1 раз.

Ну да, не сказано. Я надеялся на Вашу любознательность.

Вектор Пойнтинга указывает на направление потока электромагнитной энергии. Он направлен внутрь провода. Энергия эта втекает из окружающего пространства через боковую поверхность провода и внутри провода превращается в тепловую.

Площадь боковой поверхности равна 2$pi$.Так как же быть с током?
Опечатался в предыдущем собщении.Площадь равна 2$pi$rh

Да, теперь правильно.

Вектор Пойнтинга зависит от электрического и магнитного поля на поверхности проводника. Попробуйте обе эти величины выразить через силу тока. Таким образом, Вы и вектор Пойнтинга выразите через силу тока.

С магнитным полем проще, с него и начните.

Последний раз редактировалось talyan 25.05.2013, 18:40, всего редактировалось 1 раз.

Последний раз редактировалось svv 25.05.2013, 18:18, всего редактировалось 1 раз.

Да. Замечания:
1) в расчетах использована одна и та же буква $S$для вектора Пойнтинга и площади сечения проводника;
2) странная размерность вектора Пойнтинга, она должна быть $text<Вт data-lazy-src=

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • недистилированная вода
  • бетон
  • стекло
  • резина
  • масло
  • асфальт
  • оптоволокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухое) дерево
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • дистилированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Читайте так же:
Тепловая мощность электрическая мощность работа тока

Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (

186 000 миль) в секунду. Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рисунок 2 Провод Рисунок 2 – Провод

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Рисунок 3 Источник и пункт назначения электронов Рисунок 3 – Источник и пункт назначения электронов

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Рисунок 4 Нарушение потока электронов через провод Рисунок 4 – Нарушение потока электронов через провод

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Читайте так же:
Воздушные автоматические выключатели с тепловыми расцепителями

Рисунок 5 Соединение металла с металлом Рисунок 5 – Соединение металла с металлом

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

Физика. 10 класс

§ 31. Магнитный поток. Явление электромагнитной индукции

После опытов Эрстеда и Ампера стало понятно, что электрические и магнитные поля имеют одни и те же источники: движущиеся электрические заряды. Это позволило предположить, что они каким-то образом связаны друг с другом. Фарадей был абсолютно уверен в единстве электрических и магнитных явлений. Вскоре после открытия Эрстеда в своём дневнике в декабре 1821 г. Фарадей записал: «Превратить магнетизм в электричество». На решение этой фундаментальной задачи ему понадобилось десять лет. После многочисленных экспериментов Фарадей сделал эпохальное открытие — замыкая и размыкая электрическую цепь одной катушки, он в замкнутой цепи другой катушки получил электрический ток. Наблюдаемое явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией.

Магнитный поток. Индукция магнитного поля характеризует магнитное поле в конкретной точке пространства. Чтобы охарактеризовать магнитное поле во всех точках поверхности, ограниченной замкнутым контуром, ввели физическую величину, которую назвали магнитным потоком (потоком индукции магнитного поля).

Магнитный поток через плоскую поверхность, находящуюся в однородном магнитном поле, — физическая скалярная величина, равная произведению модуля индукции магнитного поля, площади поверхности и косинуса угла между направлениями нормали к этой поверхности и индукции магнитного поля ( рис. 173 ):

Единицей магнитного потока в СИ является вебер (Вб). 1 Вб — магнитный поток однородного магнитного поля индукцией 1 Тл через плоскую поверхность, расположенную перпендикулярно индукции магнитного поля, площадь которой 1 м 2 .

Формула (31.1) позволяет сделать вывод, что магнитный поток зависит от взаимной ориентации линий индукции магнитного поля и нормали к плоской поверхности. Магнитный поток максимален, если α = 0, т. е. если поверхность перпендикулярна линиям индукции магнитного поля:

Если плоская поверхность параллельна линиям индукции (α = 90°), то магнитный поток через неё равен нулю.

На практике часто встречаются ситуации, когда линии индукции магнитного поля пересекают поверхности, ограниченные не одним контуром, а несколькими. Так, например, линии индукции могут пересекать поверхности, ограниченные витками соленоида, которые «параллельны» друг другу и имеют одинаковую площадь поверхности. В этом случае магнитный поток определяют по формуле

где N — число витков соленоида; S — площадь поверхности, ограниченной каждым витком.

Изменить магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, можно, изменяя: 1) индукцию магнитного поля, в котором находится контур; 2) размеры этого контура; 3) ориентацию контура в магнитном поле.

Квадратная проволочная рамка со стороной длиной а = 4 см помещена в однородное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны плоскости рамки, а модуль индукции В = 0,5 Тл. Какова убыль магнитного потока через поверхность, ограниченную рамкой, при её повороте на угол β = 90°?

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector