Закон Ленца - джоуля - студопедія

При проходженні електричного струму через металевий провідник електрони стикаються то з нейтральними молекулами, то з молекулами, що втратили електрони.
Електрон, що рухається або отщепляет від нейтральної молекули новий електрон, втрачаючи свою кінетичну енергію і утворюючи новий позитивний іон, або з'єднується з молекулою, яка втратила електрон (з позитивним іоном), утворюючи нейтральну молекулу.
При зіткненні електронів з молекулами витрачається енергія, яка перетворюється в тепло.
Будь-який рух, при якому долається опір, вимагає еатрати певної енергії.

Так, наприклад, для переміщення якого -або тіла долається опір тертя, і робота, витрачена на це, перетворюється в тепло.
Електричний опір провідника грає ту ж роль, що і опір тертя.

Таким чином, для проведення струму через провідник джерело струму витрачає деяку енергію, яка перетворюється в тепло.
Перехід електричної енергії в теплову відображає закон Ленца - Джоуля
або закон теплового дії струму.

український вчений Ленц і англійський фізик Джоуль одночасно і незалежно один від іншого встановили, що при проходженні електричного струму по провіднику кількість теплоти, що виділяється в провіднику, прямо пропорційно квадрату струму, опору провідника і часу, протягом якого електричний струм протікав по провіднику.

Це положення називається законом Ленца - Джоуля.
Якщо позначити кількість теплоти, що створюється струмом, буквойQ (Дж), силу струму, що протікає по провіднику - I. опір провідника -R і час, протягом якого струм протікав по провіднику -t. то закону Ленца - Джоуля можна надати такий вираз:
Q = I Rt.
Так какI = U / R і R = U / I. тоQ = (U / R) t = UIt.

Нагрівання провідників СТРУМОМ.
РОЗРАХУНОК ПЕРЕРІЗУ ПРОВОДІВ.

На нагріванні провідників електричним струмом заснований пристрій
електричного освітлення, електронагрівальних приладів, електричних печей, вимірювальної та медичної апаратури різних типів і т. д.

З усіх видів штучного освітлення найбільшого поширення набула електрична лампа розжарювання, винайдена А. Н. Лодигіна в 1873 р
У такій лампі провідник під дією струму нагрівається до сказу і внаслідок цього випромінює світло.
Основними частинами сучасної лампи розжарювання є нитка розжарення і скляний балон (колба).
Матеріалом для виготовлення нитки напруження освітлювальних ламп служить вольфрам
(З домішкою оксиду торію та інших елементів). Цей метал має високу
температурою плавлення (3660 °) і великою механічною міцністю.

Електричне нагрівання провідників не завжди робить корисний вплив.
У проводах ліній електропередач внаслідок сильного нагріву їх при великих
токах може створюватися небезпеку виникнення пожеж.
Щоб уникнути надмірного нагріву лінійних проводів, а також різних
обмоток електричних машин і апаратів з ізольованого дроту для електричної апаратури встановлені норми максимальних значень сил струмів, що пропускаються по даному проводу або обмотці.

Струм, при якому встановлюється найбільша допустима температура дроти, називається допустимим струмом. Найбільша допустима температура залежить від
ізоляції проводу та способу його прокладки.

Розрахунок проводів за формулами, заснованим на законах нагріву, дуже складний.
На практиці допустиме для даної сили струму перетин дроту визначається за
таблицями допустимих тривалих струмових навантажень на проводи та кабелі,
наведеними в Правилах улаштування електроустановок (ПУЕ).

Поперечний переріз проводу, мм.кв

Допустимий струм в проводах, А

0.5 1 2.5 4 6 10 25 50

11 17 30 41 50 80 140 215

- - 24 32 36 55 105 165

Провід вибирається такого перетину, щоб допустимий струм його дорівнював або
більше заданого або розрахункового струму.
Врахуйте, з ряду бажаних величин перетинів (0,75; 1; 1,5; 2,5; 4; 6 мм? І т. Д.)
для алюмінієвих проводів перетин вибирають на щабель вище, ніж для мідних,
так як їх провідність становить приблизно 62% від провідності мідних.

Наприклад, якщо за розрахунками навантаження для міді потрібна величина перетину 2,5 мм.
то для алюмінію слід брати 4 мм. якщо ж для міді потрібно 4 мм. то для алюмінію - 6 мм? і т.д.

Крім нагріву проводів струм, проходячи по ним, створює падіння напруги, так як дроти мають опором. Якщо відстань між джерелом енергії і споживачем L. то довжина двох проводів, що з'єднують джерело енергії зі споживачем, равна2L.

Опір проводів перетином S з матеріалу з питомим опором р одно R = р (2L / S). a падіння напруги в проводах
Uпров = IR = Ip (2L / S).
Таким чином, напруга на затискачах споживача Uпотр виявиться менше напруги на початку лінії (джерела) Uісточ.
Різниця напруг на початку і в кінці лінії, що дорівнює падінню напруги в проводах, називається втратою напруги: Uісточ - Uпотр = Uпотерь = IR.

Будь-приймач енергії дуже чутливий до змін напруги, т. Е. Відхилень його від номінального значення.

Так, наприклад, яскравість лампи розжарювання приблизно пропорційна четвертого ступеня напруги, т. Е. При зниженні напруги на 5% світловий потік лампи розжарювання зменшується на 18,5%, а при підвищенні напруги на 5% понад номінальний скорочує термін служби її вдвічі.

Коливання напруги для освітлювального навантаження не повинні перевищувати
-2,5 + 5%, а для силової ± 5 і іноді + 10% номінального значення.

Отже, що допускається втрата напруги в лінії не повинна перевищувати тих же значень.
Завдання розрахунку зводиться до вибору такого перетину дроту, при якому
забезпечується нормальне робоче напруга на затискачах споживачів електричної енергії, т. е. необхідне перетин проводів лінії
S = 2pLI / Uпотерь.

Знайдене по цій формулі перетин, округлене до найближчого, більшого стандартного, має бути перевірено на допустимий нагрів.

Для відносно коротких ліній (освітлювальні мережі промислових підприємств, громадських і житлових будівель) перетин проводів вибирають в залежності від допустимого нагріву, так як втрата напруги зазвичай виявляється менше допустимої.
Потужність втрат в лінії електропередачі дорівнює:
Pпотерь = Uпотерь x I = I R.

Для захисту апаратів, машин і приладів від надмірно великих струмів встановлюють запобіжні пристрої (запобіжники, реле, автомати), які автоматично переривають ланцюг струму, як тільки його величина перевищить норму.