11. Закон ленца—джоуля

Під час проходження електричного струму через металевий провідник електрони стикаються з нейтральними молекулами та з молекулами, що втратили електрони. Рухомий електрон або відщеплює від нейтральної молекули новий електрон, втрачаючи свою кінетичну енергію й утворюючи новий позитивний іон, або з'єднується з молекулою, яка втратила електрон (з позитивним іоном), утворюючи нейтральну молекулу. Під час зіткнення електронів з молекулами витрачається енергія, яка перетворюється в теплоту. Будь-який рух, за якого переборюється опір, вимагає витрат певної енергії. Наприклад, для переміщення якогось тіла долається опір тертя, і робота, витрачена на це, перетворюється в теплоту. Електричний опір провідника відіграє таку ж роль, що й опір тертя. Отже, для проходження струму через провідник джерело струму витрачає деяку енергію, яка перетворюється в теплоту. Перехід електричної енергії в теплову відображає закон Ленца —Джоуля, або закон теплової дії струму.

Російський учений Ленц та англійський фізик Джоуль одночасно і незалежно один від одного встановили, що під час проходження електричного струму по провіднику кількість теплоти, що виділяється провідником, прямо пропорційна квадратові сили струму, опорові провідника та часові, протягом якого електричний струм протікав по провіднику. Це положення називається законом Ленца — Джоуля.

Якщо позначити кількість теплоти, що утворюється струмом, літерою Q, 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 такого виразу: Q = I₂Rt. Оскільки I = U/R і R = U/I, то

12. 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	11	—	6	50	36
1	17	—	10	80	55
2,5	ЗО	24	25	140	105
4	41	32	50	215	165

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.