Каждый электрик знает, если выбрать слишком тонкий провод для мощного потребителя, то жилы будут греться, из-за чего может оплавиться изоляция и произойдёт короткое замыкание. То же самое происходит и с любыми видами контактов —винтовыми зажимами, контактами коммутационных аппаратов и прочего. При повреждении или загрязнении контактов, повышается переходное сопротивление, и они начинают греться и окончательно выйдут из строя (в лучшем случае).
Но задумывались ли вы почему так происходит? На этот вопрос отвечает закон Джоуля — Ленца, и, частично, закон Ома. Давайте разбираться!
Откуда берётся тепло?
Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, а электрическое сопротивление — это свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока.
Электрический ток возникает при воздействии на носители зарядов внешнего электрического поля. Проводник, как и всё вокруг состоит из молекул, которые объединены в определённую структуру — решётку. Под проводниками мы обычно понимаем металлы, например, медь, алюминий, сталь и прочие. Электрический ток в проводнике обуславливается движением электронов — отрицательно заряженных частиц. В узлах решётки металла расположены положительно заряженные ионы, отчего металлы хорошо проводят электрический ток.
Когда электрический ток протекает через проводник, электроны сталкиваются с ионами и молекулами проводника и замедляются. При столкновении часть кинетической энергии электрона передаётся иону, отчего он начинает совершать колебания, а переданная ему энергия переходит в тепловую. То есть проводник при протекании тока выделяет тепло.
При этом электрическое поле постоянно действует на носители зарядов, и после столкновений электроны опять ускоряются и продолжают направленное движение.
То есть структура материала, из которого сделан проводник влияет на то, насколько хорошо он будет проводить электрический ток, иначе говоря, препятствовать его протеканию. В физике для описания свойств материалов используют понятие удельное электрическое сопротивление. Сопротивление проводника также зависит от его длины, сечения.
где R — сопротивление проводника, ρ — удельное сопротивление, l – длина, S– площадь поперечного сечения.
Скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в тепловую, характеризуется мощностью:
Или вместо напряжения из закона Ома подставим ток и сопротивление, тогда:
Закон Джоуля — Ленца
Итак, мы разобрались откуда появляется тепло, перейдём к закону Джоуля — Ленца. Так как тепло выделяется из-за столкновений электронов с неоднородностями ионной решётки проводника. То напрашивается вывод, что чем больше будет этих столкновений, тем больше выделится тепла. А от чего зависит их количество за единицу времени? От удельного сопротивления материала и от скорости движения электронов.
Сила тока — это величина равная отношению заряда Q прошедших через сечение проводника за единицу времени t, или I=Q/t. Другими словами, сила тока — это скорость движения электронов через проводник. Следовательно, чем больше ток в проводнике – тем больше тепла выделяется за единицу времени.
Итак, закон Джоуля — Ленца гласит: «Количество тепла, выделенное током в проводнике пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока».
В виде формулы это можно записать так:
Но почему сила тока I в квадрате?
Предположим, что мы увеличили силу тока в 2 раза от какого-то значения. Так как электроны стали двигаться в 2 раза быстрее, то и за одно и то же время они будут сталкиваться с ионами в 2 раза чаще. Кроме этого, энергия, которую электроны сообщают ионам, тоже увеличится в 2 раза.
Так как количество столкновений увеличилось в 2 раза, и энергия, которая выделяется в виде тепла при каждом столкновении, увеличилась в 2 раза, то количества тепла выросло в 2×2=4 раза, или в 2² раз.
Независимо друг от друга Эмилий Христианович Ленц в 1842 году и Джеймс Прескотт Джоуль в 1841 году опытным путём установили связь количества теплоты, выделяемого проводником при прохождении тока, с силой этого тока и сопротивлением проводника.
Подведём итоги
Количество тепла, которое выделяется при прохождении электрического тока зависит от квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени протекания тока. Температура, на которую нагреется токопроводящая жила, в основном зависит от условий охлаждения — температуры окружающей среды, её теплопроводности, площади поверхности жилы и прочего.
То есть если проводник охлаждать, то его сопротивление снижается, и он сможет выдержать большую силу тока. При нагревании проводника сопротивление увеличивается, следовательно, при протекании тока тепла будет выделяться ещё больше, проводник начнёт нагреваться вплоть до оплавления изоляции или даже расплавления самого проводника.
Поэтому при прокладке кабелей в пучках или трубах уменьшается допустимый длительный ток через их жилы. Или более простой пример, если взять удлинитель большой длины, свернуть его кольцами и пропустить номинальный ток, то теплу, выделяемому жилами в окружающую среду, будет просто некуда деваться. Жилы будут греть друг друга и такой удлинитель, даже не будучи перегруженным, может сгореть.
При ухудшении поверхности контактов увеличивается их проходное сопротивление, на этом сопротивлении таким же образом выделяется тепло, контакты начинают греться. При дальнейшем ухудшении состояния контактов сопротивление увеличивается ещё сильнее, как и их нагрев.
На этом у меня всё, если у вас остались вопросы или есть замечания, вы можете поделиться ими в обсуждениях записи.
Алексей Бартош специально для ЭТМ.