а) Закон Джоуля — Ленца. Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц. При столкновении движущихся частиц с ионами или молекулами вещества кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам или молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в тепловую

Скорость преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью P=UI (1.40); учитывая, что V=rI (1 36), получаем

(1. 45)

Количество электрической энергии W, преобразованной в тепло за время t,

(1.46а)

Так как в системе СИ единицей количества тепла, так же как и единицей энергии, является джоуль, то выделенное током I в сопротивленииг тепло

(1 .46б)

Количество тепла измеряется иногда внесистемной единицей — калорией (количество тепла, необходимо для нагревания 1г воды на 1 °С): 1кал=4,187Дж или 1 Дж = 0,24 кал Следовательно, количество тепла, выраженное в калориях, определяется по формуле

(1.46в)

Полученная зависимость была установлена в 1844 г. русским академиком Э. X. Ленцем и одновременно английским ученым Джоулем и называется законом Джоуля — Ленца: количество тепла, выделенное постоянным током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Преобразование электрической энергии в тепло находит широкое применение в разнообразных нагревательных приборах. В других элементах электрической цепи (электрических машинах, аппаратах, проводах) преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводительным расходом энергии, т. е. потерями энергии, снижающими их КПД. Кроме того, тепло, вызывая нагревание этих устройств, ограничивает допустимый ток, или, как говорят, их нагрузку: при перегрузке повышение температуры может привести к повреждению изоляции или сокращению срока службы установки.

Пример 1.2. Определить количество тепла, выделенного в нагревательном приборе в течение двух часов, если сопротивление прибора 24 Ом, а напряжение сети 120 В,

Решение Ток

 

Количество тепла, выделенного в приборе,

 

б) Допустимая нагрузка проводов. При нагревании провода приращение его температуры зависит от массы и материала провода и количества выделившегося в тем тепла. Скорость отдачи тепла в окружающую среду пропорциональна разности температур провода и среды В начале нагревания током температура провода и среды одинакова, следовательно, в окружающую среду тепло почти не отдается; практически все тепло идет на нагревание провода, вследствие чего температура провода быстро растет. С ростом температуры провода увеличивается разность температур провода и среды, следовательно, увеличивается количество тепла, отдаваемое проводом, и рост температуры провода все более замедляется. Наконец при некоторой температуре устанавливается тепловое равновесие; за каждую единицу времени количество выделяющегося тепла становится равным теплу, отдаваемому проводом в окружающую среду. Температура провода достирает установившегося значения. Нагревание до установившейся температуры длится неодинаково у различных устройств: от долей секунды для нити лампы накаливания до нескольких часов для электрических машин значительной мощности.

Временем нагревания провода называют промежуток времени, в течение которого он нагреется до температуры, отличающейся от установившейся не более чем на 1 %.

Нагрев проводов допускается до определенных значений (65-80 °С). У изолированных проводов допустимый нагрев определяется видом и свойствами изоляции, у голых (неизолированных) проводов — изменением их механических свойств. Ток, при котором нагревание достигает предельно допустимой температуры θдоп, называется наибольшим допустимым или номинальным током провода I=Iн. Значения номинальных токов для различных проводов и сеченнй приводятся в Правилах устройства электроустановок и в электротехнических справочниках. Если ток, проходящий по проводу, больше номинального, то такую перегрузку можно допустить только кратковременно в течение времени, пока температура провода не достигнет предельно допустимой θдоп . Чем больше ток в проводе по сравнению с номинальным, тем кратковременней может быть перегрузка.

в) Защита от перегрузки. Коротким замыканием называется непосредственное соединение двух проводов, участков электрической цепи или выводов (например, а и 6 на на рис 1 14), потенциалы которых различны (φаи φб), или если они соединены проводником с ничтожно малым сопротивлением. Токи короткого замыкания могут достигать очень больших значений, превышающих в десятки раз наибольший допустимый ток установки, что может привести к тепловым и механическим повреждениям или разрушениям отдельных частей установки.

Участки электрической цепи защищаются от теплового действия токов перегрузки и токов короткого замыкания плавкими предохранителями, автоматами или реле Основной частью плавкого предохранителя является вставка — короткий кусок проволоки из легкоплавкого металла, который, нагреваясь током перегрузки, расплавляется и разрывает цепь, отключая защищаемый учac-ток. Сечение вставки предохранителя выбирается с таким расчетом, чтобы она плавилась при появлении в цепи тока выше номинального.

В силовых цепях плавкие предохранители часто заменяются автоматическими устройствами, разрывающими цепь тока, если ток превышает допустимое значение.

Популярные запросы


Catalog-Moldova - Ranker, Statistics Rambler's Top100

Портал Электриков — Новости и комментарии из мира техники