Przewody grzejne z prądem

Ponieważ ilość ciepła wytwarzanego przez prąd przepływający przez drut jest proporcjonalna do czasu, temperatura drutu musi stale rosnąć, gdy prąd przepływa przez drut. W rzeczywistości, gdy prąd przepływa przez drut w sposób ciągły, ustala się pewna stała temperatura, chociaż ciągłe wydzielanie ciepła trwa w tym przewodzie.

Zjawisko to tłumaczy się tym, że każde ciało, którego temperatura jest wyższa od temperatury otoczenia, oddaje energię cieplną do otoczenia, ponieważ:

• po pierwsze, samo ciało i ciała stykające się z nim mają przewodnictwo cieplne;

• po drugie, warstwy powietrza przylegające do ciała są ogrzewane, unoszą się i ustępują miejsca zimniejszym warstwom, które są ponownie ogrzewane i tak dalej. (konwekcja ciepła);

• po trzecie, ze względu na fakt, że ogrzane ciało emituje ciemne, a czasem widzialne promienie do otaczającej przestrzeni, wydając na to część swojej energii cieplnej (promieniowanie).

Wszystkie powyższe straty ciepła są tym większe, im większa jest różnica temperatur ciała i otoczenia.Dlatego, gdy temperatura przewodnika staje się tak wysoka, że ​​​​całkowita ilość ciepła oddawanego przez przewodnik do otaczającej przestrzeni w jednostce czasu jest równa ilości ciepła wytwarzanego w przewodniku w ciągu sekundy przez prąd elektryczny, wówczas temperatura przewodnika przestanie się zwiększać i stanie się trwały.

Utrata ciepła z przewodnika podczas przepływu prądu jest zjawiskiem zbyt złożonym, aby teoretycznie uzyskać zależność temperatury przewodnika od wszystkich okoliczności, które wpływają na szybkość stygnięcia ciała.

Na podstawie rozważań teoretycznych można jednak wyciągnąć pewne wnioski. Tymczasem kwestia temperatury drutów ma ogromne znaczenie praktyczne dla wszystkich obliczeń technicznych sieci, reostatów, uzwojeń itp. Dlatego w technice posługują się empirycznymi wzorami, regułami i tablicami, które podają zależność między przekrojami przewodów a dopuszczalnym natężeniem prądu w różnych warunkach, w jakich znajdują się przewody. Niektóre relacje jakościowe można przewidzieć i łatwo ustalić empirycznie.

Oczywiście każda okoliczność, która zmniejsza wpływ jednej z trzech przyczyn wychładzania ciała, zwiększa temperaturę przewodnika. Zwróćmy uwagę na niektóre z tych okoliczności.

Nieizolowany drut prosty rozciągnięty poziomo ma niższą temperaturę niż ten sam drut przy tym samym natężeniu prądu w pozycji pionowej, ponieważ w drugim przypadku ogrzane powietrze unosi się wzdłuż drutu i wymiana ogrzanego powietrza na zimne następuje wolniej, niż w pierwszym przypadku.

Drut nawinięty spiralnie nagrzewa się znacznie bardziej niż podobny drut o takim samym natężeniu prądu rozciągnięty w linii prostej.

Przewód pokryty warstwą izolacji nagrzewa się bardziej niż nieizolowany, ponieważ izolacja jest zawsze słabym przewodnikiem ciepła, a temperatura powierzchni izolacji jest dużo niższa od temperatury przewodnika, więc ochładzanie ta powierzchnia przez prądy powietrza i promieniowanie jest znacznie mniejsza.

Jeśli drut zostanie umieszczony w wodorze lub żarzącym się gazie, które mają wyższą przewodność cieplną niż powietrze, to temperatura drutu przy takim samym natężeniu prądu będzie niższa niż w powietrzu. Wręcz przeciwnie, w przypadku dwutlenku węgla, którego przewodność cieplna jest niższa niż powietrza, drut nagrzewa się bardziej.

Jeśli przewodnik zostanie umieszczony we wnęce (próżni), wówczas konwekcja ciepła zostanie całkowicie zatrzymana, a nagrzewanie przewodnika będzie znacznie większe niż w powietrzu. Jest to używane podczas instalowania żarówek.

Na ogół chłodzenie prądów powietrza drutów ma podstawowe znaczenie wśród innych czynników chłodzących. Każdy wzrost powierzchni chłodzącej zmniejsza temperaturę przewodnika. Dlatego wiązka cienkich równoległych drutów, które nie stykają się ze sobą, chłodzi się znacznie lepiej niż gruby drut o tej samej rezystancji, którego przekrój jest równy sumie przekrojów wszystkich drutów w wiązce .

Aby wykonać reostaty o stosunkowo małej wadze, jako przewodniki stosuje się bardzo cienkie metalowe paski, które są karbowane w celu zmniejszenia ich długości.

Ponieważ ilość ciepła wydzielanego przez prąd w przewodniku jest proporcjonalna do jego oporu, to w przypadku dwóch przewodników tego samego rozmiaru, ale o różnej substancji, przewodnik o większym oporze nagrzewa się do wyższej temperatury.

Zmniejszając przekrój drutu, można zwiększyć jego rezystancję tak bardzo, że jego temperatura osiągnie punkt topnienia. Służy do ochrony sieci i urządzeń przed uszkodzeniem przez prądy o większej sile, niż te urządzenia i sieć są zaprojektowane.

Do tego tzw bezpieczniki, które są krótkimi drutami wykonanymi z niskotopliwego metalu (srebra lub ołowiu). Przekrój tego drutu jest obliczany tak, że przy pewnym określonym natężeniu prądu drut ten topi się.

Dane podane w tabelach do wyszukiwania przekrojów bezpieczników dla różnych prądów dotyczą bezpieczników o długości co najmniej określonych wymiarów.

Bardzo krótki bezpiecznik chłodzi się lepiej niż długi ze względu na dobrą przewodność cieplną miedzianych zacisków, do których jest podłączony, a zatem topi się przy nieco wyższym prądzie. Ponadto długość bezpiecznika musi być taka, aby po stopieniu łuk elektryczny nie mógł powstać między końcami drutów. W ten sposób w zależności od napięcia sieciowego określana jest najmniejsza długość bezpiecznika.

Zobacz też:

Nagrzewanie części pod napięciem przy wydłużonym przepływie prądu we wzorach