Acció tèrmica de corrent, densitat de corrent i la seva influència en l'escalfament de conductors

Per acció tèrmica d’un corrent elèctric s’entén l’alliberament d’energia tèrmica durant el pas del corrent a través d’un conductor. Quan un corrent passa pel conductor, els electrons lliures que formen el corrent xoquen amb els ions i els àtoms del conductor, escalfant-lo.

La quantitat de calor alliberada en aquest cas es pot determinar utilitzant Dret Joule-Lenz, que es formula així: la quantitat de calor alliberada durant el pas del corrent elèctric pel conductor és igual al producte del quadrat del corrent, la resistència d’aquest conductor i el temps que triga el corrent a passar pel conductor.

Prenent el corrent en amperis, la resistència en ohms i el temps en segons, obtenim la quantitat de calor en els joules. I tenint en compte que el producte del corrent i la resistència són la tensió, i el producte de la tensió i el corrent és la potència, resulta que la quantitat de calor alliberada en aquest cas és igual a la quantitat d’energia elèctrica transferida a aquest conductor durant el pas del corrent a través d’ella. És a dir, l’energia elèctrica es converteix en calor.

La recepció de l’energia tèrmica d’energia elèctrica s’ha utilitzat àmpliament des de l’antiguitat en diverses tècniques. Els escalfadors elèctrics, com ara calefactors, escalfadors d’aigua, estufes elèctriques, ferros de soldadura, forns elèctrics, etc., així com soldadura elèctrica, làmpades incandescents i molt més, utilitzen aquest principi per generar calor.

Però en un gran nombre d’aparells elèctrics, la calefacció causada pel corrent és perjudicial: motors elèctrics, transformadors, cables, electroimants, etc., en aquests dispositius que no estan dissenyats per rebre calor, escalfament redueix la seva eficiència, interfereix en un funcionament eficient i, fins i tot, pot donar lloc a situacions d’emergència.

Per a qualsevol conductor, segons els paràmetres ambientals, és característic un valor acceptable del valor actual pel qual el conductor no s’escalfa notablement.

Així, per exemple, per trobar la càrrega de corrent admissible als cables, utilitzeu el paràmetre "Densitat actual", caracteritzant el corrent per 1 mm quadrat de l’àrea de secció d’aquest conductor.

La densitat de corrent admissible per a cada material conductor en determinades condicions és diferent, depèn de molts factors: del tipus d’aïllament, de la velocitat de refredament, de la temperatura ambiental, de la secció transversal, etc.

Per exemple, per a màquines elèctriques, en què els enrotllaments es fan, per regla general, de coure, la densitat màxima de corrent admissible no ha de superar els 3-6 amperes per mm quadrat. Per a una làmpada incandescent, i més precisament pel seu filament de tungstè, no més de 15 amperis per quilòmetre quadrat.

Per als cables d’enllumenat i xarxes d’energia, la densitat màxima de corrent permesa es basa en funció del tipus d’aïllament i de la secció transversal.

Si el material del conductor és de coure i l’aïllament és de cautxú, aleshores amb una secció de secció de, per exemple, 4 mm quadrats, es permet una densitat de corrent no superior a 10,2 amperes per mm quadrat, i si la secció transversal és de 50 mm quadrats, la densitat de corrent admissible serà només 4,3 amperis per mm quadrat Si els conductors de la zona indicada no tenen aïllament, les densitats de corrent admissibles seran de 12,5 i 5,6 amperes per mm quadrat, respectivament.

Quina és la raó per disminuir la densitat de corrent admissible per als conductors d'una secció més gran? El fet és que els conductors amb una àrea transversal significativa, en contrast amb els conductors de secció petita, tenen un volum més gran de material conductor situat al seu interior, i resulta que les capes interiors del conductor estan envoltades per capes de calefacció que interfereixen amb l’eliminació de la calor de l’interior.

Com més gran sigui la superfície del conductor respecte al seu volum, més alta és la densitat de corrent que pot suportar el conductor sense sobreescalfar. Els conductors no aïllats permeten escalfar a una temperatura més elevada, ja que la calor es transfereix directament d’ells al medi, l’aïllament no ho impedeix i el refredament és més ràpid, per tant es permet una densitat de corrent més elevada que per als conductors aïllats.

Si se supera corrent admissible per al conductor, es començarà a escalfar i en algun moment la temperatura serà excessiva. L’aïllament del bobinatge d’un motor elèctric, generador, o simplement cablejat, es pot carbonitzar o encendre en aquestes condicions, cosa que provocarà un curtcircuit i un incendi. Si parlem d’un cable no aïllat, aleshores, a alta temperatura, es pot fondre i trencar el circuit en què serveix de conductor.

Normalment s’evita la superació del corrent admissible. Per tant, en instal·lacions elèctriques, generalment es prenen mesures especials per desconnectar automàticament de la font d’energia que parteix del circuit o del receptor elèctric en què va passar sobre corrent o curtcircuit. Per fer-ho, utilitzeu disjuntors, fusibles i altres dispositius que tinguin una funció similar: per trencar el circuit durant la sobrecàrrega.

Es desprèn de la llei Joule-Lenz que el sobreescalfament d'un conductor no es pot produir només a causa d'un excés de corrent a través de la seva secció transversal, sinó també a causa d'una major resistència del conductor. Per això, per al funcionament complet i fiable de qualsevol instal·lació elèctrica, la resistència és extremadament important, especialment en els llocs on es connecten conductors individuals.

Si els conductors no estan connectats estretament, si el seu contacte entre ells no és d'alta qualitat, llavors la resistència a la unió (l'anomenada resistència al contacte) serà superior a la d’una secció integral d’un conductor de la mateixa longitud.

Com a resultat del pas del corrent per una connexió de qualitat de qualitat no suficientment densa, el lloc d'aquesta connexió es sobreescalfa, carregat de foc, de combustió de conductors o fins i tot d'incendi.

Per evitar-ho, els extrems dels conductors connectats es pelen de forma fiable, estan forjats i estan equipats amb boixos de cable (soldats o premsats) o mangas que proporcionen un marge per a la resistència de transició al punt de contacte. Aquestes puntes es poden fixar perfectament als terminals de la màquina elèctrica mitjançant cargols.

Als dispositius elèctrics dissenyats per encendre i apagar el corrent, també es prenen mesures per reduir la resistència de transició entre els contactes.

Vegeu també aquest tema:

Com protegir el cablejat de sobrecàrregues i curtcircuits

Àrea de secció de cables i cables, segons la resistència actual, càlcul de la secció de cable necessària