От чего греются провода тока или напряжение

ПОЧЕМУ ПРОВОДА НАГРЕВАЮТСЯ

Давайте разберемся почему электрические кабели нагреваются, кто первым заметил это явление и что это означает для потребителя электроэнергии. Сопротивление в электрике говорит о том, насколько трудно электрическим зарядам пройти проводник. Основная, но не единственная задача перемещения электрических зарядов — доставить электричество от источника к устройству. Проблема в том, что электрический ток (и движение зарядов) может возникать только в специальных материалах, называемых проводниками — чаще всего это металлические провода. Ток — это непрерывная последовательность межмолекулярных столкновений.

Заряды, несущие энергию, не могут эффективно перемещаться между плотно уложенными атомами проводника. В результате они часто сталкиваются с ними, полностью теряя скорость. Почему это так важно? Скорость частицы показывает ее кинетическую энергию — чем быстрее движется объект, тем больше его энергия и тем серьезнее последствия столкновения с неподвижным препятствием.

Принцип сохранения энергии говорит, что энергия не может возникнуть или исчезнуть. Её можно лишь переносить от одного тела к другому. Ускоренный электрон врезается в атом металла и теряет скорость. Кинетическая энергия электрона не может исчезнуть просто так, поэтому атом становится ее получателем, хочет он того или нет. Импульс удара заставляет атом быстро вибрировать, что сопровождается повышением температуры. Если в течение короткого периода времени не произойдет дальнейшего столкновения, частица со временем успокоится, и накопленное тепло будет рассеиваться.

Проблема в том, что при протекании электрического тока возникает бесконечная череда таких столкновений. Нагретые атомы проводника даже не успевают остыть между столкновениями. Следовательно в проводнике постоянно накапливается тепловая энергия, а температура увеличивается.

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль интересовался этим явлением, он изучал сущность потока энергии в механических и электрических системах. В 22 года он провел серию экспериментов, состоящих в пропускании тока через проводник, погруженный в воду. Измеряя повышение температуры воды Джоуль пришел к выводу, что количество тепла, выделяемого проводом, зависит только от его сопротивления, силы тока и времени протекания. Он назвал этот закон своим именем, а математическое выражение таково:

Q = I^2 R t

Формула говорит что чем больше тепла (Q), тем выше значение тока (I), сопротивление проводника (R) и время (t) тока. Это открытие было спорным в то время — тепловая теория предполагала что оно должно отводиться от одного объекта, чтобы нагреть другой. И вдруг кто-то заявил, что провод выделяет тепло сам по себе! Но вскоре миру пришлось смириться с тем фактом, что теория тепловой энергии, выдвинутая Джоуля, была верной. Связь между силой трения и теплотой позволила ему вычислить, насколько выше температура воды внизу водопада, чем вверху, и сколько работы требуется, чтобы нагреть фунт воды на один градус по Фаренгейту. Количество способов получения тепла было большим, что доказало — это не более чем один из видов энергии.

Зависимость тепла от температуры

Тепло и температура — две очень разные величины, и их не следует путать. Вот графика, показывающая эту разницу:

Тепло — это энергия, которая вызывает повышение температуры объекта, и ее единица измерения — Джоуль [Дж]. Почему при одинаковом количестве энергии небольшая чашка воды нагревается сильнее чем сосуд большего размера? Объяснение простое. Полная энергия передаваемая объекту, равномерно распределяется между всеми его частицами. Чем больше молекул нужно разделить, тем меньше энергии остается для каждой из них. Более низкая энергия молекул означает, что они достигают более низкой температуры, единицей измерения которой является Кельвин (K), а в России используем градусы Цельсия.

Насколько сильно греется кабель?

Столкновение сопровождающее прохождение тока, является бесконечным источником кинетической энергии, которая увеличивает вибрацию проводника и увеличивает его температуру. Если в какой-то момент отключить электричество, эта энергия будет выделяться в окружающую среду в виде тепла. Но что, если ток проходит много часов? Согласно закону Джоуля, количество тепла, аккумулируемого в проводнике, должно со временем увеличиваться. Есть ли предел?

Выделение энергии в окружающую среду возможно благодаря частицам окружающего воздуха. Они получают тепловую энергию в процессе охлаждения. В физике воздух считается довольно плохим проводником тепла, но есть свойство которое помогает ему проводить это. А именно, чем выше разница температур между нагретым объектом и окружающей средой, тем быстрее происходит рассеивание тепла.

Что это значит для провода? Как только включается питание, когда провод еще холодный, он начинает очень быстро нагреваться. Но со временем, когда температура достигает значения в несколько десятков градусов, кабель начинает отдавать все больше тепла в окружающую среду, что замедляет его дальнейший нагрев. В конце концов дело доходит до того что скорость выделения энергии совпадает со скоростью нагрева, и повышение температуры проводника прекращается. Затем кабель достигает так называемой предельной температуры, что видно на графике:

Предел температуры для типичных кабелей

Что это за предельная температура? До какого значения может нагреваться кабель? И нагрев кабеля чем вредит? Чистая медь имеет температуру плавления примерно 1085 C. Но следует помнить, что типовой электрический кабель дополнительно снабжен изоляцией гораздо меньшей прочности. Стандартные оплётки выдерживают температуры примерно до 90 C, специальные — до нескольких сотен. Чтобы не превышать заданную температуру, кабель следует выбирать в соответствии с током, который планируем пропустить через него. Вот таблица значений, которой надо придерживаться:

Рабочий ток для изоляции с сопротивлением до 60 C, 75 C и 90 C

Сечение проводника [мм 2 ] Сила тока [A] для 60 ° C Сила тока [A] для 75 ° C Сила тока [А] для 90 ° C

2,5 15 20 25
4 20 25 30
6 30 35 40
10 40 50 55
16 55 65 75
25 70 85 90
35 95 115 130
50 110 130 145

Чем больше поперечное сечение проводника, тем ниже его сопротивление и тем больше поверхность способная рассеивать тепло — следовательно проводник может выдерживать более высокую силу тока. Приведенная таблица применима только к теоретической ситуации — одиночный медный провод, подвешенный в воздухе при температуре 25 C. Фактически допустимая нагрузка кабеля зависит от многих других факторов, таких как способ прокладки, количество проводников в нём, температура окружающей среды или внешние условия. Правда производители электрических кабелей идут навстречу и предоставляют специальные таблицы, в которых учтены все факторы.

Сопротивление замедляет прохождение электрического тока. В результате кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию, запасенную в проводнике.

Потери энергии

Сопротивление провода в основном зависит от трех факторов: материала, толщины и длины. Не проблема если шнур питания бытового прибора немного нагреется. При длине в несколько метров выделяемое количество тепла — несущественная трата энергии. Но что если длина провода составляет десятки километров? На каждый градус Цельсия выделяется огромное количество потраченного впустую тепла. По этой причине важная цель в электроэнергетике — минимизировать сопротивление линий электропередачь, что не просто. Слишком толстый провод начнет провисать под собственным весом, а единственный разумный материал, который можно использовать, — это алюминий. Следовательно, основным средством ограничения выделяемого тепла является повышение напряжения до уровня 110000 вольт. Благодаря этому можно передавать ту же мощность с помощью небольшого тока, что автоматически снижает температуру нагрева.

Электрическое отопление

Поскольку нет идеальных проводников, а каждый электрический провод все равно нагревается, может это выделяемое тепло использовать для чего-то? Обогреватели, фены, духовки, электрочайники — все эти устройства используют закон Джоуля для вырабатывания огромного количества тепла при относительно низком токе. Как это делается?

Поскольку сопротивление вырабатывает тепло, для создания нагревательных элементов следует использовать материалы с относительно высоким удельным сопротивлением. Чтобы обеспечить максимальное сопротивление и температуру, до которой нагревается такой элемент, он сделан из проводника с минимально возможным диаметром. Скатывая его дополнительно в спираль, получаем бОльшую поверхность теплообмена при тех же размерах.

Популярными материалами используемыми при производстве нагревательных элементов, являются хромоникелин (рабочая температура до 1130 C) и немного более дорогой кантал (рабочая температура 1300 C). Такая высокая рабочая температура означает чрезвычайно быстрый темп выделения энергии в окружающую среду.

В общем производство тепловой энергии — интересный побочный эффект сопротивления. С одной стороны, электроэнергетика отдала бы многое, чтобы избавиться от него, с другой — теплоэнергетика не могла бы существовать без сопротивления. А что касается ненужного нагрева токонесущих линий электропередач, возможно вскоре изобретут материалы с нулевым сопротивлением (сверхпроводники) и это позволит значительно снизить потери мощности.

Форум по обсуждению материала ПОЧЕМУ ПРОВОДА НАГРЕВАЮТСЯ

Регулируемый источник питания 1,2 — 33 В на 4 A тока, с Lm350 + Tip147 транзистор.

Предусилитель со стерео темброблоком для усилителя мощности, собранный на ОУ 4558.

Справочная информация по микросхеме 555 — характеристики, схема подключения, распиновка и аналоги таймера.

Самодельный регулируемый источник напряжения 1,4 — 30 В и тока до 3 А на основе м/с LM2596.

Источник

Причины и способы устранения нагрева кабелей

Нагрев силовых проводов – частая причина пожаров не только на производстве, но и в квартире. Большая температура токопроводящей жилы приводит к расплавленной изоляции, и как следствие – к открытому источнику огня. Если вы заметили, что греется кабель, то устранить причину его нагрева следует немедленно. В определении такой причины и приведению бытового прибора к надлежащему уровню электробезопасности поможет эта статья.

Основные причины нагрева кабелей и проводов

Чтобы понять причину нагрева электрической проводки, необходимо вспомнить азы электротехники. Электрический ток – это упорядоченное движение свободных электронов, на пути которых возникают другие атомы вещества. Определённое количество таких атомов называется электрическим сопротивлением. При слишком большом сопротивлении, увеличивается температура материала.

Пример надёжно затянутых проводов

Данный принцип успешно применяется, например, в водонагревателях. В других бытовых приборах или электрической сети необходимо наоборот, снизить нагрев проводников – довести его до номинального уровня.

Основные причины нагрева кабелей и проводов:

• Главная причина, почему происходит нагрев провода – это выбор его неправильного сечения. При выборе малого сечения проводов, что преследует практически всех горе-электриков, и неизменной силе тока, происходит быстрое повышение температуры кабеля. Такой же принцип в водопроводных трубах – чем больше диаметр, тем больший напор воды.
• Перегрев линии возникает при неправильном монтаже. Например, незначительное короткое замыкание, на которое не срабатывает автоматический выключатель с завышенными номинальными параметрами. Автомат не размыкает линию – кабель продолжает греться, и через некоторое время прогорает.
• Некачественное место соединения или окисление контактов. Очень быстро окисляются алюминиевые провода, места соединения которых следует проверять чаще медных. Чтобы не беспокоиться за качество скрутки, лучше воспользоваться специальными клеммниками или тщательно пропаять кабели.
• Использование кабеля или провода низкого качества. Сейчас рынок электротехники стремительно наполняется продукцией из Кореи и Китая, качество которой оставляет желать лучшего. Такой кабель, даже при правильном монтаже, сам по себе может стать причиной нагрева и возгорания.

Способы устранения проблемы

Если вы заметили греющий кабель, то необходимо знать, как можно решить данную проблему. Существует несколько популярных способов определения неисправности и её устранения.

Бытовая техника

Бытовая техника – это основная причина перегрева электрической сети. Чрезмерный нагрев проводников происходит из-за большой мощности потребителя и не рассчитанного на такую мощность кабеля. Но если причина не в этом, то простая последовательность поможет быстро найти и устранить неисправность.

1. Проверьте, по всей ли длине кабель одинаково нагрет, или большая температура наблюдается в одном месте. Частая проблема – плохой электрический контакт вилки и кабеля, идущего к бытовому прибору.

Как устранить:

• Необходимо выкрутить болты крепления корпуса вилки и снять верхнюю крышку.
• Послабить контакты крепления проводов и достать провода.
• Зачистить провода и места контактов – устранить все препятствия на пути прохождения электрического тока. Затем уложить провода на своё место и тщательно затянуть болты.
• Окончательный этап – сборка крышки.

1. Плохой контакт кабеля на входе бытового прибора. Если вилка цела, качество контактов на должном уровне, а провод греется с другой стороны, то следует проверить распредкоробку (или как её называют – клеммную коробку) бытового прибора.

Как устранить:

• Выкрутить 4 болта крепления верхней крышки клеммной коробки и снять саму крышку. Под ней размещена клеммная колодка, в которой выполнен прямой контакт входного провода и провода бытового прибора.
• Колодку следует открутить, достать провода и зачистить их, а также места крепления колодки. Для зачистки удобно использовать небольшой надфиль или мелкозернистую наждачную бумагу.
• После зачистки, кабели установить в клеммную колодку, затянуть болтами и поставить на своё место крышку.

1. Если кабель греется по всей длине, а розетка рассчитана на допустимый ток бытового прибора, то причина только одна — низкое качество кабеля. Такой проводник следует заменить.

Электропроводка

Излишнее нагревание проводов в домашней электропроводке сопровождается запахом горелой изоляции и приводит к неправильной работе бытовой техники. В некоторых случаях возможен даже выход из строя электрических приборов.

Последовательность определения неисправности:

1. Основной проблемой может быть место подключения силовых кабелей в квартирном щитке. Обычно входной кабель крепят к медной шине, от которой пойдут провода дальше в квартиру. Ослабленный контакт на шине приводит к постепенному нагреву кабеля, также возможно искрение. Достаточно зачистить провод и немного подтянуть контакты.

Важно! Многожильные медные провода необходимо сначала опрессовать гильзой, после чего наконечник закрепить на шине с помощью болтового соединения.

1. Ещё одна причина повышения температуры проводника – слабый контакт на автоматическом выключателе или его неисправность. Высокий номинал автомата приводит к постепенному нагреву кабелей, оплавлению изоляции и его возгоранию. Достаточно включить несколько мощных бытовых приборов, например, стиральную машину и бойлер, при неработающем автомате, и результат не заставит себя долго ждать. Плохой контакт проводника и автоматического выключателя
2. Распределительная коробка – одно из самых небезопасных мест электромонтажа. Одна недожатая скрутка приводит к сгоревшей изоляции и возможному короткому замыканию. Поэтому все соединения в распределительных коробках лучше выполнять, используя медные клеммники.

Удлинители

Главный совет – не используйте удлинители, намотанные на катушку. Во-первых, для таких изделий часто используют кабель недостаточного сечения, например, 0.75 см 2 . На нормальном удлинителе сечение провода должно составлять не менее 1.5 см 2 . Во-вторых, проводник, намотанный на катушку, становится катушкой индуктивности, что приводит к его скорому выходу из строя.

«Прозвонка» удлинителя на короткое замыкание

Если после включения в удлинитель бытового прибора, повышается температура жил переноски, то начать следует с вилки – проверить качество контактов. Потом перейти к розетке удлинителя и проверить надёжность соединения там. Если контакты в хорошем состоянии с обеих сторон удлинителя – тогда необходимо только менять кабель.

А если греется нулевой провод?

Редкий случай, когда начинает нагреваться нулевой провод в электрическом щитке. Например, при недавней прокладке резистивного кабеля для обогрева пола в квартире. Следует знать, что на нулевом проводнике нет опасного для жизни потенциала, а его температура должна быть в пределах комнатной, но никак не выше.

Что может стать причиной такого нагрева?

1. При неравномерном распределении токов. Это означает, что на рабочем ноле сила тока превышает ток, который проходит по фазам. Саморегулирующиеся кабеля, которые используют для обогрева труб, из-за своей мощности приводят к такому результату. При этом ноль может не только перегреваться, но и отгореть.
2. Плохой контакт нулевого провода с нулевой шиной. Сопровождается неприятным потрескивающим звуком и искрением. Достаточно подтянуть контакт или проверить ближайшее место скрутки и проблема будет устранена.
3. Подключение электрических приборов, напрямую влияющих на частоту. Это: индукционные печи, импульсные потребители, нагревательные кабели, источники освещения на основе светодиодов и др.

Последствия некачественного контакта нулевого провода

Заключение

Вышеперечисленные неисправности часто являются последствием одной проблемы – плохого контакта. Конечно, существуют и другие причины: низкое качество кабеля, несоответствие автоматического выключателя, старая проводка и многое другое. Но самое распространённое, это контакт, который оказывает препятствие проходящей по проводнику электрической энергии.

Чтобы избежать последствий чрезмерного нагрева кабеля, необходимо периодически проверять соединения в электрощитовых и распределительных коробках, по мере необходимости – подтягивать или дожимать скрутки, или клеммные колодки.

Источник