Tác động nhiệt của dòng điện, mật độ dòng điện và ảnh hưởng của chúng đối với sự nóng lên của dây dẫn

Do tác động nhiệt của dòng điện được hiểu là sự giải phóng năng lượng nhiệt trong quá trình truyền dòng điện qua một dây dẫn. Khi một dòng điện đi qua dây dẫn, các electron tự do tạo thành dòng điện va chạm với các ion và nguyên tử của dây dẫn, làm nóng nó.

Lượng nhiệt giải phóng trong trường hợp này có thể được xác định bằng cách sử dụng Luật Joule-Lenz, được xây dựng như sau: lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình dòng điện đi qua dây dẫn bằng với tích của bình phương của dòng điện, điện trở của dây dẫn này và thời gian để dòng điện đi qua dây dẫn.

Lấy dòng điện trong ampe, điện trở trong ohms và thời gian tính bằng giây, chúng ta nhận được lượng nhiệt trong joules. Và xem xét rằng sản phẩm của dòng điện và điện trở là điện áp, và sản phẩm của điện áp và dòng điện là năng lượng, hóa ra lượng nhiệt giải phóng trong trường hợp này bằng với năng lượng điện được truyền tới dây dẫn này trong suốt dòng điện đi qua nó. Đó là, năng lượng điện được chuyển đổi thành nhiệt.

Việc tiếp nhận năng lượng nhiệt từ năng lượng điện đã được sử dụng rộng rãi từ thời cổ đại trong các kỹ thuật khác nhau. Lò sưởi điện, chẳng hạn như máy sưởi, máy nước nóng, bếp điện, bàn là hàn, lò điện, v.v., cũng như hàn điện, đèn sợi đốt và nhiều hơn nữa, sử dụng nguyên tắc này để tạo ra nhiệt.

Nhưng trong một số lượng lớn các thiết bị điện, sưởi ấm gây ra bởi dòng điện có hại: động cơ điện, máy biến thế, dây điện, nam châm điện, v.v. - trong các thiết bị này không được thiết kế để nhận nhiệt, sưởi ấm làm giảm hiệu quả của họ, can thiệp vào hoạt động hiệu quả, và thậm chí có thể dẫn đến các tình huống khẩn cấp.

Đối với bất kỳ dây dẫn nào, tùy thuộc vào các thông số môi trường, một giá trị nhất định có thể chấp nhận được của giá trị hiện tại là đặc tính mà tại đó dây dẫn không nóng lên rõ rệt.

Vì vậy, ví dụ, để tìm tải hiện tại cho phép trên dây, hãy sử dụng tham số "Mật độ hiện tại", đặc trưng cho mỗi 1 mét vuông hiện tại của diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn này.

Mật độ dòng điện cho phép đối với từng vật liệu dẫn trong các điều kiện nhất định là khác nhau, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: vào loại cách điện, tốc độ làm mát, nhiệt độ môi trường, diện tích mặt cắt, v.v.

Ví dụ, đối với máy điện, nơi chế tạo cuộn dây, theo quy luật, bằng đồng, mật độ dòng điện tối đa cho phép không được vượt quá 3-6 ampe trên mỗi mm vuông. Đối với một đèn sợi đốt, và chính xác hơn cho dây tóc vonfram của nó, không quá 15 ampe trên mỗi mét vuông.

Đối với dây của mạng lưới chiếu sáng và nguồn điện, mật độ dòng điện tối đa cho phép được lấy dựa trên loại cách điện và diện tích mặt cắt ngang.

Nếu vật liệu của dây dẫn là đồng và cách điện là cao su, thì với diện tích mặt cắt ngang là 4 mm vuông, mật độ dòng điện không quá 10,2 ampe trên mỗi mm vuông được cho phép, và nếu tiết diện là 50 mm vuông thì mật độ dòng điện cho phép sẽ chỉ 4,3 ampe trên mm vuông Nếu các dây dẫn của khu vực được chỉ định không có lớp cách điện thì mật độ dòng điện cho phép sẽ lần lượt là 12,5 và 5,6 ampe trên mỗi mm vuông.

Lý do để giảm mật độ dòng điện cho phép đối với dây dẫn có tiết diện lớn hơn là gì? Thực tế là các dây dẫn có diện tích mặt cắt đáng kể, trái ngược với các dây dẫn có tiết diện nhỏ, có khối lượng vật liệu dẫn lớn hơn nằm bên trong, và hóa ra các lớp bên trong của dây dẫn được bao quanh bởi các lớp gia nhiệt cản trở việc loại bỏ nhiệt từ bên trong.

Diện tích bề mặt của dây dẫn càng lớn so với thể tích của nó, mật độ dòng điện càng cao thì dây dẫn có thể chịu được mà không quá nóng. Các dây dẫn không cách điện cho phép nung nóng đến nhiệt độ cao hơn, vì nhiệt được truyền trực tiếp từ chúng ra môi trường, cách điện không cản trở điều này và làm mát nhanh hơn, do đó mật độ dòng điện cao hơn được phép đối với chúng so với dây dẫn trong cách điện.

Nếu vượt quá hiện tại cho phép đối với các dây dẫn, nó sẽ bắt đầu quá nóng và đến một lúc nào đó nhiệt độ của nó sẽ quá mức. Cách điện của cuộn dây của động cơ điện, máy phát điện, hoặc chỉ là hệ thống dây điện, có thể bị cháy hoặc bốc cháy trong các điều kiện như vậy, điều này sẽ dẫn đến ngắn mạch và hỏa hoạn. Nếu chúng ta nói về một dây không được cách điện, thì ở nhiệt độ cao, nó có thể đơn giản làm tan chảy và phá vỡ mạch mà nó đóng vai trò là một dây dẫn.

Vượt quá dòng cho phép thường được ngăn chặn. Do đó, trong lắp đặt điện, các biện pháp đặc biệt thường được thực hiện để tự động ngắt kết nối với nguồn điện là một phần của mạch điện hoặc bộ thu điện trong đó xảy ra quá dòng hoặc ngắn mạch. Để làm điều này, sử dụng bộ ngắt mạch, cầu chì và các thiết bị khác có chức năng tương tự - để ngắt mạch trong quá tải.

Theo luật Joule-Lenz, quá nhiệt của dây dẫn có thể xảy ra không chỉ do dòng điện dư qua mặt cắt ngang mà còn do điện trở của dây dẫn cao hơn. Vì lý do này, đối với hoạt động đầy đủ và đáng tin cậy của bất kỳ cài đặt điện nào, điện trở là cực kỳ quan trọng, đặc biệt là ở những nơi mà các dây dẫn riêng lẻ được kết nối với nhau.

Nếu các dây dẫn không được kết nối chặt chẽ, nếu tiếp xúc của chúng với nhau không có chất lượng cao, thì điện trở tại đường giao nhau (cái gọi là tiếp xúc điện trở) sẽ cao hơn so với phần tích phân của một dây dẫn có cùng chiều dài.

Do sự đi qua của dòng điện qua một kết nối kém chất lượng, không đủ dày đặc như vậy, vị trí của kết nối này sẽ quá nóng, gây ra hỏa hoạn, đốt cháy dây dẫn hoặc thậm chí là hỏa hoạn.

Để tránh điều này, các đầu của dây dẫn được kết nối được bóc vỏ, mạ thiếc và được trang bị các dây cáp (hàn hoặc ép) hoặc tay áo cung cấp một lề cho điện trở chuyển tiếp tại điểm tiếp xúc. Những mẹo này có thể được cố định chặt vào các cực của máy điện bằng bu lông.

Đối với các thiết bị điện được thiết kế để bật và tắt dòng điện, các biện pháp cũng được thực hiện để giảm điện trở chuyển tiếp giữa các tiếp điểm.

Xem thêm về chủ đề này:

Làm thế nào để bảo vệ hệ thống dây điện khỏi quá tải và ngắn mạch

Diện tích mặt cắt của dây và cáp, tùy thuộc vào cường độ hiện tại, tính toán của mặt cắt cáp yêu cầu