Нагревание проводников электрическим током

На нагревании проводников электрическим током основано устройство электрического освещения, электронагревательных приборов, электрических печей, многих типов измерительной и медицинской аппаратуры и т. д.

Из всех видов искусственного освещения наибольшее распространение получила электрическая лампа накаливания с металлической нитью, изобретенная А.Н. Лодыгиным в 1873 г. В такой лампе проводник под действием тока нагревается до белого каления и вследствие этого излучает свет.

Основными частями лампы накаливания является нить накала и стеклянный баллон. Нить накала изготавливается из вольфрама, который обладает высокой температурой плавления (3660^°С) и большой механической прочностью.

Зависимость сопротивления проводников от температуры широко используется для измерения температуры в электрических термометрах сопротивления, у которых температурный коэффициент должен быть большим. Рабочим органом таких термометров, как правило, является платиновая проволока.

В ряде приборов, наоборот, применяются материалы с малым значением температурного коэффициента для того, чтобы исключить влияние колебаний температуры на показания этих приборов.

Электрическое нагревание проводников не всегда находит полезное применение. Так, в проводах линий электропередач нагревание связано с бесполезной затратой электрической энергии, при больших токах может создавать опасность возникновения пожаров. Во избежании чрезмерного нагрева линейных проводов, а также различных обмоток электрических машин и аппаратов из изолированной проволоки для электрической аппаратуры установлены нормы максимальных значений токов, пропускаемых по данному проводу или обмотке.

При прохождении тока через проводник температура его быстро повышается, так как разность температур проводника и окружающей среды мала. Поэтому теплота, излучаемая в излучающую, среду, мала и расходуется в основном на нагрев проводника. При некоторой установившейся температуре на провода наступает равновесие между теплотой, выделяемой током, теплотой, отдаваемой в окружающую среду. Ток, при котором устанавливается наибольшая допустимая температура провода, называется допустимым током. Наибольшая допустимая температура зависит от изоляции провода и способа его прокладки.

Провод выбирается такого сечения, чтобы допустимый ток его был равен или больше заданного или расчетного тока.

Помимо нагрева проводов ток, протекая по ним, создает падение напряжения, так как провода обладают сопротивлением. Если расстояние между источником энергии и потребителем l, то длина двух проводов, соединяющих источник энергии с потребителем 2 l.

Тогда: ,

Таким образом, напряжение на зажимах потребителя окажется меньше напряжения в начале линии. Разность напряжений в начале и в конце линии, равная падению напряжения в проводах, называется падением напряжения:

U_ист. – U_{потреб.} = ∆U = IR

Любой приемник энергии очень чувствителен к изменениям напряжения, т. е. отклонениям его от номинального значения. Колебания напряжения для осветительной нагрузки не должны превышать -2,5 - +5%, а для силовой ± 5% номинального значения. Следовательно, допустимая потеря напряжения в линии не должна превышать тех же значений. Задача расчета сводится к выбору такого сечения провода, при котором обеспечивается нормальное рабочее напряжение на зажимах потребителей электрической энергии, т. е. необходимое сечение проводов линии:

Найденное по этой формуле сечение, округленное до ближайшего стандартного, должно быть проверено на допустимый нагрев.