Главная | Обратная связь

НАГРІВАННЯ ПРОВІДНИКІВ ЕЛЕКТРИЧНИМ СТРУМОМ

На нагріванні провідників електричним струмом грунтується влаштування електричного освітлення, будова електронагрівальних приладів, електричних печей, багатьох типів вимірювальної, медичної апаратури тощо.

З усіх видів штучного освітлення найбільш поширена електрична лампа розжарення з металевою ниткою, винайдена О. М. Лодигіним у 1873 р. У такій лампі провідник під дією струму нагрівається до білого жару і внаслідок цього випромінює світло.

Основними частинами сучасної лампи розжарення є нитка розжарення та скляний балон (колба). Матеріалом для виготовлення нитки розжарення освітлювальних ламп служить вольфрам (з домішками оксиду торію та інших елементів). Цей метал має високу температуру плавлення (3660 °С) і велику механічну міцність.

Електричне нагрівання провідників не завжди знаходить корисне застосування. Так, у проводах ліній електропередач нагрівання пов'язане з некорисною витратою електричної енергії, а при великій силі струму може створювати небезпеку виникнення пожеж. Щоб запобігти надмірному нагріванню лінійних проводів, а також різних обмоток електричних машин та апаратів з ізольованого дроту, для електричної апаратури встановлено норми максимальних сил струмів, що пропускаються по проводу чи. обмотці.

Під час проходження струму по провіднику температура його швидко підвищується, бо різниця температур провідника й оточуючого середовища мала. Тому теплота, що випромінюється в середовище, незначна і витрачається переважно на нагрівання провідника. Зі збільшенням температури проводу зростає різниця температур проводу й оточуючого середовища, а також теплота, яку віддає провід в оточуюче середовище, тобто підвищення температури проводу сповільнюється. За деякої усталеної температури проводу наступає рівновага поміж теплотою, що виділяється струмом, та теплотою, що віддається в оточуюче середовище. Сила струму, за якої встановлюється найбільша допустима температура проводу, називається допустимою силою струму. Найбільша допустима температура залежить від ізоляції про воду та способу його прокладання.

Розрахунок провідників за формулами, що грунтуються на законах нагрівання, дуже складний. Допустиму для даної сили струму площу перерізу провідника на практиці визначають за таблицями допустимих тривалих навантажень струму на проводи та кабелі, наведеними у Правилах устаткування електроустановок (ПУЕ). Прикладом цього може служити табл. 1.

Таблиця 1. Допустимі струмові навантаження для ізольованих проводів

Площа поперечного перерізу провідників, мм2	Допустима сила струму, А, для проводів	Площа поперечного перерізу провідників, мм2	Допустима сила струму, А, для проводів
мідних	алюмінієвих	мідних	алюмінієвих
0,5		—
		—
2,5	ЗО

Провідник вибирають такого перерізу, щоб допустима сила струму його дорівнювала заданій чи розрахунковій силі струму або була більшою від неї.

Струм, протікаючи по провідниках, крім нагрівання їх, створює спад напруги, оскільки провідники мають опір. Якщо відстань між джерелом енергії та споживачем становить l, то довжина двох провідників, що з'єднують джерело енергії зі споживачем, дорівнює 2l.

Опір провідників з площею перерізу s із матеріалу з питомим опором р становить R = 2ρl/s, спад напруги в провідниках ΔU = IR = Iρ · 2l/s. Отже, напруга на затискачах споживача Uc буде меншою від напруги на початку лінії (джерела) идж. Різниця напруг на початку і в кінці лінії, яка дорівнює спаду напруги в провідниках, називається втратою напруги: U_дж — U_c = ΔU = IR.

Будь-який приймач енергії дуже чутливий до змін напруги, тобто до відхилень її від номінального значення. Наприклад, яскравість лампи розжарення прямо пропорційна приблизно четвертому ступеню напруги, тобто зі зниженням напруги на 5 % світловий потік лампи розжарення зменшується на 18,5 %, а з підвищенням напруги на 5 % понад номінальне значення термін служби її скорочується вдвічі.

Коливання напруги для освітлювального навантаження не повинні перевищувати —2,5...+5 %, а для силового ±5, інколи ±10 % її номінального значення. Отже, втрата напруги в лінії не повинна перевищувати тих же значень. Завдання розрахунку зводиться до вибору такої площі перерізу провідника, за якої забезпечується нормальна робоча напруга на затискачах споживачів електричної енергії, тобто потрібна площа перерізу провідників

Знайдена за цією формулою площа перерізу, заокруглена до найближчої більшої стандартної, повинна бути перевірена на допустиме нагрівання.

Для відносно коротких ліній (освітлювальні мережі промислових підприємств, громадських та житлових будинків) площу перерізу провідників вибирають на основі нагрівання, оскільки втрата напруги завжди виявляється меншою за допустиму.

Втрата потужності в лінії електропередачі

Для захисту апаратів, машин та приладів від надміру великої сили струму встановлюють запобіжні пристрої (запобіжники, реле, автомати). Вони автоматично розривають коло, по якому надходить струм, як тільки сила струму перевищить норму.

 

НЕЛІНІЙНІ ОПОРИ

Коло, опір якого не залежить від сили струму, що протікає по ньому, називається л і н і й н и м, а коло, опір якого залежить від сили струму, що протікає, називається нелінійним.

Розрахунок сили струму і напруг у нелінійних колах виконують за допомогою вольт-амперних характеристик нелінійних опорів цих Кіл. Вольт-амперна характеристика, що являє собою залежність між силою струму та прикладеною до нелінійного опору напругою,

 

 

зображується графіком, побудованим на основі експериментальних даних (рис. 13, а).

Для лінійного опору вольт-амперна характеристика являє собою пряму l, оскільки опір сталий і, згідно з законом Ома, між силою струму й напругою існує прямо пропорційна залежність. Для нелінійного опору вольт-амперна характеристика не прямолінійна і має вигляд або кривої 2, якщо опір елемента зменшується зі збільшенням сили струму (наприклад, електронні лампи, напівпровідникові діоди та стабілітрони), або кривою З, якщо опір елемента збільшується зі збільшенням сили струму (нагрівальні прилади, лампи розжарення, батареї).

При послідовному з'єднанні двох нелінійних опорів R₁ та R₂ з вольт-амперними характеристиками l і 2 (рис. 13, б) сила струму в колі I є спільною для обох опорів, а прикладена напруга U в будь-який момент дорівнює сумі напруг на першому U₁ та другому U₂ нелінійних опорах, тобто U = U₁ + U₂. Беручи різні значення сили струму й визначаючи за кривими l і 2 відповідні їм значення напруг U₁ та U₂, після їх додавання знаходимо напругу U, значення якої відповідають цим же значенням сили струму. Таким чином можемо побудувати вольт-амперну характеристику 3 для всього кола.

Якщо відома прикладена напруга U й потрібно визначити силу струму в колі та напругу на кожному нелінійному опорі, то на горизонтальній осі треба відкласти значення цієї напруги й поставити перпендикуляр до перетину з кривою 3 у точці А. Ця точка визначить силу струму в колі I, а відрізки на прямій, що паралельна горизонтальній осі, від осі сили струму до перетину з кривими l і 2 відповідатимуть напругам на опорах R₁ і R₂.

При паралельному з'єднанні нелінійних опорів R₂ і R₂ з вольтамперними характеристиками 1 і 2 (рис. 13, в) сила струму в нерозгалуженій частині кола в будь-який момент дорівнює сумі сил струмів

у цих опорах (I = I₁ + I₂). а напруга на затискачах кола U є спільною для обох опорів. Відкладаючи на горизонтальній осі значення напруги джерела енергії U і ставлячи перпендикуляр до перетину з кривими 1 і 2, знайдемо значення сил струму І₁ та I₂, а їх сума визначить силу струму в нерозгалуженій частині кола.

Розглянутий метод розрахунку нелінійних кіл можна застосувати до будь-якої кількості послідовно або паралельно з'єднаних нелінійних опорів. У разі змішаного з'єднання нелінійних опорів усе роблять так, як і в розрахунку лінійних кіл, тобто спочатку знаходять опір паралельно або послідовно з'єднаних нелінійних опорів, замінюючи їх одним загальним.

 

Контрольні запитання

1. У яких одиницях вимірюють ЕРС, напругу та силу струму?

2. Від чого залежить опір металевого провідника?

3. Сформулюйте закон Ома для замкненого електричного кола та для його ділянки.

4. Яке співвідношення між ЕРС та напругою на затискачах джерела енергії?

5. Як визначається сила струму в разі короткого замикання затискачів джерела енергії?

6. Сформулюйте перший та другий закони Кірхгофа.

7. Як визначається загальний опір при послідовному, паралельному та змішаному з'єднанні споживачів енергії?

8. Чому дорівнюють робота й потужність електричного струму та в яких одиницях вони вимірюються?

9. Сформулюйте закон Ленца — Джоуля.

10. Як розрахувати площу поперечного перерізу провідника?

11. Який опір називається нелінійним?