7. Закон джоуля-ленца. Нагревание проводников.

Роль сопротивления в электрической цепи подобна или эквивалентна роли трения в механической системе. Под действием электрического тока в проводнике электроны сталкиваются с узлами кристаллической решетки (ионами, атомами, молекулами) и ускоряют их движение (передают свою энергию узлам решетки), что усиливает колебания узлов кристаллической решетки и приводит к нагреву проводника. Следовательно, при наличии тока в проводнике происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепловую энергию.

Количество теплоты Q, выделяемой током в проводнике, равно работе А, совершаемой электрическим полем при перемещении зарядаQ=A. Связь между количеством выделенной теплотыQ, токомI, сопротивлениемRи временемtпрохождения тока по проводнику можно представить уравнением

(2-27)

Это закон Джоуля – Ленца, определяющий количество энергии, выделяющейся в проводнике при протекании электрического тока.

Единица количества теплоты – джоуль (Дж)

Тепловое действие тока, в ряде случаев, представляет собой вредное побочное явление. Нагревание током проводов, соединяющих источник электрической энергии с ее приемником, ограничивает нагрузку проводов током, так как сильное повышение температуры вызывает разрушение изоляции.

Нагревание проводов обмоток электрических машин является нежелательным, но неизбежным явлением. Увеличение тепловых потерь снижает кпд электрических машин и других устройств. Для уменьшения этих потерь принимаются специальные меры для отвода выделяющейся теплоты (вентиляция и др.).

С другой стороны, нагревание электрическим током полезно применяется , например в лампах накаливания, в электрических печах, в электрочайниках, электроплитках и т.д.

8. Короткое замыкание и перегрузки. Тепловая защита.

Коротким замыканием называется всякое неправильное соединение в электрической цепи через провод с малым электрическим сопротивлением. Например, соединение между собой проводов воздушной линии или повреждение изоляции в обмотке электродвигателя, вследствие старения, износа, пробоя и т.д. Короткое замыкание (КЗ) сопровождается резким увеличением тока, при этом в проводах выделяется большое количество теплоты, так как тепловое действие пропорционально квадрату тока. Этот перегрев может вызвать пожар. Чем ближе КЗ к источнику электрической энергии, тем оно опаснее. При КЗ на зажимах источника ток короткого замыкания ограничивается только внутренним сопротивлением источника, т.е. . Токи короткого замыкания в силовых энергосистемах могут достигать 100 000А и более.

а б в

Рис.17

Из-за пожарной опасности очень важно быстрое отключение токов короткого замыкания.

Одним из основных отключающих элементов токов короткого замыкания служит плавкий предохранитель (рис. 17а). Плавкие предохранители выбирают и ставят с таким расчетом, что, как только ток в цепи по тем или иным причинам превысит допустимый предел, проволока или пластина предохранителя перегорает и отключает цепь тока. Правильно подобранный предохранитель всегда должен сгорать раньше, чем опасно нагреются провода самой цепи. К приборам тепловой защиты можно отнести и устройство, называемое тепловым реле,применяемое в электрочайниках, электроутюгах, хлебопечках и т.д.. Если взять две пластины из одного и того же металла и нагреть их, то они будут удлиняться одинаково (рис. 17 б (а)). Если же взять пластины из разных металлов и нагреть их, то вследствие различного теплового расширения они будут удлиняться по - разному (рис.17 б(б)). Две пластины из разных металлов, скрепленные или сваренные, образуют однубиметаллическуюпластину. Обычно биметаллическая пластина выполняется из инвара (сплав железа с никелем и латуни). При нагреве пластина изгибается в сторону металла с меньшим тепловым расширением (рис.17 б(в)). В тепловом реле для срабатывания устройства обычно используетсябиметаллический элемент. Он состоит в основном из двух механически скрепленных пластин, изготовленных из металлов с различными температурными коэффициентами расширения.

Схематично тепловое реле представлено на рис.17 в. Нагреватель 1, включенный последовательно в защищаемую цепь, своей теплотой воздействует на биметаллический элемент 2. Нагреваясь, одна из пластин элемента удлиняется сильнее, чем другая. Вследствие этого биметаллическая пластина изгибается вверх и освобождает защелку 3. Под действием пружины 4 подвижная часть поворачивается вокруг оси 5 и размыкает посредством тяги 6 контакты 7.

Так как тепловое реле из-за биметаллической пластины обладает значительной тепловой инерцией, то оно плохо защищает от токов КЗ и плавкий предохранитель является его необходимым дополнением.