Akımın termal etkisi, akım yoğunluğu ve iletkenlerin ısınması üzerindeki etkisi

Bir elektrik akımının termal hareketi ile, akımın bir iletkenden geçişi sırasında termal enerjinin serbest bırakılması anlaşılır. Bir akım iletkenden geçtiğinde, akımı oluşturan serbest elektronlar iletkenin iyonları ve atomları ile çarpışarak ısınır.

Bu durumda açığa çıkan ısı miktarı, Joule-Lenz Kanunuaşağıdaki gibi formüle edilmiştir: elektrik akımının iletkenden geçişi sırasında açığa çıkan ısı miktarı, akımın karesinin çarpımına, bu iletkenin direncine ve akımın iletkenden geçmesi için geçen süreye eşittir.

Akımı amper cinsinden, direnci ohm cinsinden ve saniye cinsinden zamanı alarak, joule cinsinden ısı miktarını alırız. Akımın ve direncin voltajı, voltajın ve akımın ürünü güç olduğu göz önüne alındığında, bu durumda salınan ısı miktarının, akımın içinden geçirilmesi sırasında bu iletkene aktarılan elektrik enerjisi miktarına eşit olduğu ortaya çıkar. Yani, elektrik enerjisi ısıya dönüştürülür.

Elektrik enerjisinden termal enerjinin alınması, eski zamanlardan beri çeşitli tekniklerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Isıtıcılar, su ısıtıcıları, elektrikli sobalar, lehim havyaları, elektrikli fırınlar vb. Elektrikli ısıtıcılar, elektrikli kaynak, akkor lambalar ve çok daha fazlası, ısı üretmek için bu prensibi kullanırlar.

Ancak çok sayıda elektrikli cihazda, akımın neden olduğu ısıtma zararlıdır: elektrik motorları, transformatörler, teller, elektromıknatıslar, vb. - ısı, ısıtma almak için tasarlanmamış bu cihazlarda verimliliklerini azaltır, verimli çalışmaya müdahale eder ve hatta acil durumlara bile yol açabilir.

Herhangi bir iletken için, çevresel parametrelere bağlı olarak, akım değerinin belirli bir kabul edilebilir değeri, iletkenin belirgin şekilde ısınmaması için karakteristiktir.

Bu nedenle, örneğin, kablolardaki izin verilen akım yükünü bulmak için parametreyi kullanın "Akım yoğunluğu", bu iletkenin kesit alanının 1 metrekaresi başına akımı karakterize eder.

Belirli koşullar altında her iletken malzeme için izin verilen akım yoğunluğu farklıdır, birçok faktöre bağlıdır: yalıtım türüne, soğutma hızına, ortam sıcaklığına, kesit alanına vb.

Örneğin, sargıların bakır olarak yapıldığı elektrikli makineler için, izin verilen maksimum akım yoğunluğu kare mm başına 3-6 amperi aşmamalıdır. Akkor lamba için ve daha kesin olarak tungsten filamenti için, m2 başına 15 amperden fazla değil.

Aydınlatma ve güç ağlarının telleri için, izin verilen maksimum akım yoğunluğu, yalıtım tipine ve kesit alanına göre alınır.

İletkenin malzemesi bakırsa ve yalıtım kauçuksa, örneğin 4 kare mm'lik bir kesit alanına sahipse, kare mm başına 10,2 amperden fazla olmayan bir akım yoğunluğuna izin verilir ve kesit 50 kare mm ise, izin verilen akım yoğunluğu yalnızca 4,3 amper kare başına mm Belirtilen alandaki iletkenlerin yalıtımı yoksa, izin verilen akım yoğunlukları kare mm başına sırasıyla 12,5 ve 5,6 amper olacaktır.

Daha büyük kesitli iletkenler için izin verilen akım yoğunluğunu düşürmenin nedeni nedir? Gerçek şu ki, küçük kesitli iletkenlerin aksine, önemli bir kesit alanına sahip iletkenler, içeride daha büyük bir iletken malzeme hacmine sahiptir ve iletkenin iç katmanlarının kendilerinin, ısının içeriden çıkarılmasına müdahale eden ısıtma katmanları ile çevrili olduğu ortaya çıkar.

İletkenin hacmine göre yüzey alanı ne kadar büyük olursa, iletkenin aşırı ısınma olmadan dayanabileceği akım yoğunluğu o kadar büyük olur. Yalıtımsız iletkenler daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılmasına izin verir, çünkü ısı doğrudan onlardan çevreye aktarılır, yalıtım bunu engellemez ve soğutma daha hızlıdır, bu nedenle onlar için yalıtımdaki iletkenlere göre daha yüksek bir akım yoğunluğuna izin verilir.

Aşılırsa iletken için izin verilen akım, aşırı ısınmaya başlar ve bir noktada sıcaklığı aşırı olur. Bir elektrik motorunun, jeneratörün veya sadece kablonun sargısının yalıtımı, kısa devre ve yangına yol açacak bu koşullar altında kömürleşebilir veya tutuşabilir. Yalıtımsız bir tel hakkında konuşursak, yüksek sıcaklıkta iletken olarak hizmet ettiği devreyi eritebilir ve kırabilir.

İzin verilen akımın aşılması genellikle önlenir. Bu nedenle, elektrik tesisatlarında, genellikle devrenin bir kısmının veya gerçekleştiği elektrik alıcısının güç kaynağından otomatik olarak ayrılması için özel önlemler alınır. aşırı akım veya kısa devre. Bunu yapmak için, aşırı yük sırasında devreyi kesmek için benzer bir işlev taşıyan devre kesicileri, sigortaları ve diğer cihazları kullanın.

Joule-Lenz yasasında, bir iletkenin aşırı ısınmasının sadece kesiti boyunca aşırı akım nedeniyle değil, aynı zamanda iletkenin daha yüksek direnci nedeniyle de ortaya çıkabileceği sonucuna varılır. Bu nedenle, herhangi bir elektrik tesisatının tam ve güvenilir çalışması için, özellikle bireysel iletkenlerin birbirine bağlandığı yerlerde direnç son derece önemlidir.

İletkenler sıkıca bağlanmazsa, birbirleriyle temasları iyi değilse, bağlantı noktasındaki direnç (sözde temas direnci), aynı uzunlukta bir iletkenin ayrılmaz bir bölümünden daha yüksek olacaktır.

Akımın, yeterince yoğun olmayan, yeterince yoğun olmayan bir bağlantıdan geçmesi sonucunda, bu bağlantının yeri, yangın, iletkenlerin yanması veya hatta bir yangınla dolu aşırı ısınacaktır.

Bundan kaçınmak için, bağlı iletkenlerin uçları güvenilir bir şekilde soyulur, kalay kaplanır ve temas noktasında geçiş direnci için bir kenar sağlayan kablo pabuçları (lehimlenmiş veya preslenmiş) veya manşonlarla donatılmıştır. Bu uçlar, cıvatalar kullanılarak elektrikli makinenin terminallerine sıkıca sabitlenebilir.

Akımı açmak ve kapatmak için tasarlanmış elektrikli cihazlarda, kontaklar arasındaki geçiş direncini azaltmak için önlemler de alınır.

Ayrıca bu konuya bakın:

Kablolar aşırı yük ve kısa devreden nasıl korunur

Kabloların ve kabloların kesit alanı, akım gücüne bağlı olarak, gerekli kablo kesitinin hesaplanması