выделение тепла при прохождении электрического тока. припрохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом ленца — джоуля. его формулируют следующим образом. количество выделенного тепла q равно произведению квадрата силы тока i2, сопротивления проводника r и времени t прохождения тока через проводник:
q = i2rt (34)
если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.
допустимая сила и плотность тока. превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока j (сила тока i, приходящаяся на 1 мм2 площади s поперечного сечения проводника):
j = i/s (35)
допустимая плотность тока зависит от материала провода (медьили алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 а/мм2, в нити осветительной электрической лампы — 15 а/мм2. в проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм2 допускается плотность тока 10,2 а/мм2, а 50 мм2 — только 4,3 а/мм2; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 а/мм2. уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может к короткому замыканию и . неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.
нагрев в переходном сопротивлении. повышенный нагрев проводника, как следует из закона ленца — джоуля, может происходить г не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. при неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. в результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в отношении, а значительный нагрев может к полному выгоранию плохо соединенных проводников. во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко-
рис. 32. схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте
торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.
осмотрим, как влияет э.д.с. самоиндукции на процесс установления тока в цепи, содержащей индуктивность.
в цепи, представленной на схеме 10.10, течёт ток. отключим источник e, разомкнув в момент времени t = 0 ключ к. ток в катушке начинает убывать, но при этом возникает э.д.с. самоиндукции, поддерживающая убывающий ток.
рис. 10.10.
запишем для новой схемы 10.10.b уравнение правила напряжений кирхгофа:
.
разделяем переменные и интегрируем:
пропотенцировав последнее уравнение, получим:
.
постоянную интегрирования найдём, воспользовавшись начальным условием: в момент отключения источника t = 0, ток в катушке i(0) = i0.
отсюда следует, что c = i0 и поэтому закон изменения тока в цепи приобретает вид:
. (10.7)
график этой зависимости на рис. 10.11. оказывается, ток в цепи, после выключения источника, будет убывать по экспоненциальному закону и станет равным нулю только спустя t = ¥.
рис. 10.11.
вы и сами теперь легко покажете, что при включении источника (после замыкания ключа к) ток будет нарастать тоже по экспоненциальному закону, асимптотически приближаясь к значению i0 (см. рис. 10.
. (10.8)
но вернёмся к первоначальной размыкания цепи.
мы отключили в цепи источник питания (разомкнули ключ к), но ток — теперь в цепи 10.8.b — продолжает течь. где черпается энергия, обеспечивающая бесконечное течение этого убывающего тока?
ток поддерживается электродвижущей силой самоиндукции e = . за время dt убывающий ток совершит работу:
da = eси×i×dt = –lidi.
ток будет убывать от начального значения i0 до нуля. проинтегрировав последнее выражение в этих пределах, получим полную работу убывающего тока:
. (10.9)
совершение этой работы сопровождается двумя процессами: исчезновением тока в цепи и исчезновением магнитного поля катушки индуктивности.
с чем же связана была выделившаяся энергия? где она была локализована? располагалась ли она в проводниках и связана ли она с направленным движением носителей заряда? или она локализована в объёме соленоида, в его магнитном поле?
опыт даёт ответ на эти вопросы: энергия электрического тока связана с его магнитным полем и распределена в пространстве, занятом этим полем.
несколько изменим выражение (10.9), учтя, что для длинного соленоида справедливы следующие утверждения:
l = m0n2sl (10.5) — индуктивность;
b0 = m0ni0 (9.17) — поле соленоида.
эти выражения используем в (10.9) и получим новое уравнение для полной работы экстратока размыкания, или — начального запаса энергии магнитного поля:
. (10.10)
здесь v = s×l — объём соленоида (магнитного
энергия катушки с током пропорциональна квадрату вектора магнитной индукции.
разделив эту энергию на объём магнитного поля, получим среднюю плотность энергии:
[]. (10.11)
это выражение похоже на выражение плотности энергии электростатического поля:
.
обратите внимание: в сходных уравнениях, если e0 — в числителе, m0 — непременно в знаменателе.
зная плотность энергии в каждой точке магнитного поля, мы теперь легко найдём энергию, в любом объёме v поля.
локальная плотность энергии в заданной точке поля:
.
значит, dw = wdv и энергия в объёме v равна:
.
