Azione termica di corrente, densità di corrente e loro influenza sul riscaldamento dei conduttori

Per azione termica di una corrente elettrica si intende il rilascio di energia termica durante il passaggio di corrente attraverso un conduttore. Quando una corrente passa attraverso il conduttore, gli elettroni liberi che formano la corrente si scontrano con gli ioni e gli atomi del conduttore, riscaldandolo.

La quantità di calore rilasciato in questo caso può essere determinata usando Legge Joule-Lenz, che è formulato come segue: la quantità di calore rilasciato durante il passaggio della corrente elettrica attraverso il conduttore è uguale al prodotto del quadrato della corrente, alla resistenza di questo conduttore e al tempo impiegato dalla corrente per passare attraverso il conduttore.

Prendendo la corrente in ampere, la resistenza in ohm e il tempo in secondi, otteniamo la quantità di calore in joule. E dato che il prodotto della corrente e della resistenza sono la tensione e il prodotto della tensione e della corrente è la potenza, si scopre che la quantità di calore rilasciata in questo caso è uguale alla quantità di energia elettrica trasferita a questo conduttore durante il passaggio di corrente attraverso di essa. Cioè, l'energia elettrica viene convertita in calore.

La ricezione di energia termica da energia elettrica è stata ampiamente utilizzata fin dai tempi antichi in varie tecniche. Riscaldatori elettrici, come riscaldatori, scaldabagni, stufe elettriche, saldatori, forni elettrici, ecc., Nonché saldatura elettrica, lampade a incandescenza e molto altro, usano questo principio per generare calore.

Ma in un gran numero di dispositivi elettrici, il riscaldamento causato dalla corrente è dannoso: motori elettrici, trasformatori, fili, elettromagneti, ecc. - In questi dispositivi che non sono progettati per produrre calore, riscaldamento riduce la loro efficienza, interferisce con un funzionamento efficiente e può persino portare a situazioni di emergenza.

Per qualsiasi conduttore, a seconda dei parametri ambientali, un certo valore accettabile del valore corrente è caratteristico per cui il conduttore non si riscalda sensibilmente.

Quindi, ad esempio, per trovare il carico di corrente consentito sui fili, utilizzare il parametro "Densità attuale", caratterizzando la corrente per 1 mm2 dell'area della sezione trasversale di questo conduttore.

La densità di corrente consentita per ciascun materiale conduttivo in determinate condizioni è diversa, dipende da molti fattori: tipo di isolamento, velocità di raffreddamento, temperatura ambiente, sezione trasversale, ecc.

Ad esempio, per le macchine elettriche, dove gli avvolgimenti sono realizzati, di regola, in rame, la densità di corrente massima consentita non deve superare 3-6 ampere per mm quadrato. Per una lampada a incandescenza, e più precisamente per il suo filamento di tungsteno, non più di 15 ampere per mq.

Per i cavi delle reti di illuminazione e di alimentazione, la densità di corrente massima consentita viene presa in base al tipo di isolamento e alla sezione trasversale.

Se il materiale del conduttore è di rame e l'isolamento è di gomma, quindi con una sezione trasversale, ad esempio di 4 mm quadrati, è consentita una densità di corrente non superiore a 10,2 ampere per mm quadrato e se la sezione trasversale è di 50 mm quadrati, la densità di corrente consentita sarà solo 4,3 ampere per quadrato mm Se i conduttori dell'area indicata non hanno isolamento, le densità di corrente consentite saranno rispettivamente di 12,5 e 5,6 ampere per mm quadrato.

Qual è la ragione per abbassare la densità di corrente consentita per i conduttori di una sezione trasversale più grande? Il fatto è che i conduttori con una significativa sezione trasversale, a differenza dei conduttori di piccola sezione, hanno un volume maggiore di materiale conduttivo situato all'interno e si scopre che gli strati interni del conduttore sono essi stessi circondati da strati di riscaldamento che interferiscono con la rimozione del calore dall'interno.

Maggiore è la superficie del conduttore rispetto al suo volume, maggiore è la densità di corrente che il conduttore può sopportare senza surriscaldamento. I conduttori non isolati consentono il riscaldamento a una temperatura più elevata, poiché il calore viene trasferito direttamente da essi all'ambiente, l'isolamento non impedisce questo e il raffreddamento è più veloce, quindi è consentita una densità di corrente maggiore per loro rispetto ai conduttori in isolamento.

Se superato corrente consentita per il conduttore, inizierà a surriscaldarsi e ad un certo punto la sua temperatura sarà eccessiva. L'isolamento dell'avvolgimento del motore, del generatore o del solo cablaggio, può diventare carbonizzato o infiammarsi in queste condizioni, causando cortocircuiti e incendi. Se parliamo di un filo non isolato, ad alta temperatura può semplicemente fondere e rompere il circuito in cui funge da conduttore.

Il superamento della corrente consentita viene generalmente impedito. Pertanto, negli impianti elettrici, di solito vengono prese misure speciali per disconnettere automaticamente dalla fonte di alimentazione quella parte del circuito o il ricevitore elettrico in cui è avvenuto sopra corrente o corto circuito. Per fare ciò, utilizzare interruttori automatici, fusibili e altri dispositivi che svolgono una funzione simile - per interrompere il circuito durante il sovraccarico.

Dalla legge Joule-Lenz deriva che il surriscaldamento di un conduttore può verificarsi non solo a causa della corrente in eccesso attraverso la sua sezione trasversale, ma anche a causa di una maggiore resistenza del conduttore. Per questo motivo, per il funzionamento completo e affidabile di qualsiasi installazione elettrica, la resistenza è estremamente importante, specialmente nei luoghi in cui i singoli conduttori sono collegati tra loro.

Se i conduttori non sono collegati strettamente, se il loro contatto tra loro non è di alta qualità, quindi la resistenza alla giunzione (il cosiddetto resistenza di contatto) sarà maggiore rispetto a una sezione integrale di un conduttore della stessa lunghezza.

Come risultato del passaggio di corrente attraverso una connessione di scarsa qualità, non sufficientemente densa, il luogo di questa connessione si surriscalda, che è irto di fuoco, esaurimento di conduttori o persino un incendio.

Per evitare ciò, le estremità dei conduttori collegati sono sbucciate in modo affidabile, stagnate e dotate di capicorda (saldati o stampati) o manicotti che forniscono un margine per la resistenza di transizione nel punto di contatto. Questi suggerimenti possono essere fissati saldamente ai terminali della macchina elettrica mediante bulloni.

Ai dispositivi elettrici progettati per accendere e spegnere la corrente, vengono anche prese misure per ridurre la resistenza di transizione tra i contatti.

Vedi anche su questo argomento:

Come proteggere il cablaggio da sovraccarico e corto circuito

Area della sezione trasversale di fili e cavi, a seconda della resistenza corrente, calcolo della sezione del cavo richiesta