Acción térmica de la corriente, densidad de corriente y su influencia en el calentamiento de los conductores

Por la acción térmica de una corriente eléctrica se entiende la liberación de energía térmica durante el paso de la corriente a través de un conductor. Cuando una corriente pasa a través del conductor, los electrones libres que forman la corriente colisionan con los iones y átomos del conductor, calentándolo.

La cantidad de calor liberado en este caso puede determinarse utilizando la ley de Joule-Lenz, que se formula de la siguiente manera: la cantidad de calor liberado cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor es igual al producto de la corriente cuadrada, la resistencia de este conductor y el tiempo que tarda la corriente en pasar a través del conductor.

Tomando la corriente en amperios, la resistencia en ohmios y el tiempo en segundos, obtenemos la cantidad de calor en julios. Y dado que el producto de la corriente y la resistencia son el voltaje, y el producto del voltaje y la corriente es el poder, resulta que la cantidad de calor liberado en este caso es igual a la cantidad de energía eléctrica transferida a este conductor durante el paso de la corriente a través de él. Es decir, la energía eléctrica se convierte en calor.

La recepción de energía térmica de la energía eléctrica se ha utilizado ampliamente desde la antigüedad en diversas técnicas. Los calentadores eléctricos, como calentadores, calentadores de agua, estufas eléctricas, planchas de soldadura, hornos eléctricos, etc., así como la soldadura eléctrica, lámparas incandescentes y mucho más, utilizan este principio para generar calor.

Pero en una gran cantidad de dispositivos eléctricos, el calentamiento causado por la corriente es dañino: motores eléctricos, transformadores, cables, electroimanes, etc., en estos dispositivos que no están diseñados para producir calor, el calentamiento reduce su eficiencia, interfiere con el funcionamiento eficiente e incluso puede conducir a situaciones de emergencia

Para cualquier conductor, dependiendo de los parámetros ambientales, es característico un cierto valor aceptable del valor actual en el que el conductor no se calienta notablemente.

Entonces, por ejemplo, para encontrar la carga de corriente permisible en los cables, use el parámetro "densidad de corriente", que caracteriza la corriente por 1 mm cuadrado del área de la sección transversal de este conductor.

La densidad de corriente permisible para cada material conductor bajo ciertas condiciones es diferente, depende de muchos factores: del tipo de aislamiento, velocidad de enfriamiento, temperatura ambiente, área de sección transversal, etc.

Por ejemplo, para máquinas eléctricas, donde los devanados están hechos, por regla general, de cobre, la densidad de corriente máxima permitida no debe exceder de 3-6 amperios por mm cuadrado. Para una lámpara incandescente, y más precisamente para su filamento de tungsteno, no más de 15 amperios por metro cuadrado.

Para cables de iluminación y redes eléctricas, la densidad de corriente máxima permitida se toma en función del tipo de aislamiento y el área de la sección transversal.

Si el material del conductor es cobre y el aislamiento es de goma, entonces, con un área de sección transversal de, por ejemplo, 4 mm cuadrados, se permite una densidad de corriente de no más de 10.2 amperios por mm cuadrado, y si la sección transversal es de 50 mm cuadrados, la densidad de corriente permisible será solo 4.3 amperios por mm cuadrado Si los conductores del área indicada no tienen aislamiento, entonces las densidades de corriente permisibles serán de 12.5 y 5.6 amperios por mm cuadrado, respectivamente.

¿Cuál es la razón para reducir la densidad de corriente permisible para conductores de una sección transversal más grande? El hecho es que los conductores con un área de sección transversal significativa, en contraste con los conductores de sección pequeña, tienen un mayor volumen de material conductor ubicado en el interior, y resulta que las capas internas del conductor están rodeadas por capas de calentamiento que interfieren con la eliminación de calor del interior.

Cuanto mayor sea el área de superficie del conductor con respecto a su volumen, mayor será la densidad de corriente que el conductor puede soportar sin sobrecalentarse. Los conductores no aislados permiten calentar a una temperatura más alta, ya que el calor se transfiere directamente de ellos al medio ambiente, el aislamiento no lo impide y el enfriamiento es más rápido, por lo tanto, se les permite una densidad de corriente más alta que la de los conductores en aislamiento.

Si excede la corriente aceptable para el conductor, comenzará a sobrecalentarse y, en algún momento, su temperatura será excesiva. El aislamiento del devanado del motor, el generador o simplemente el cableado puede quemarse o quemarse en tales condiciones, lo que provocará un cortocircuito y un incendio. Si hablamos de un cable no aislado, entonces a alta temperatura simplemente puede derretirse y romper el circuito en el que sirve como conductor.

Exceder la corriente permisible generalmente se evita. Por lo tanto, en instalaciones eléctricas, generalmente se toman medidas especiales para desconectar automáticamente de la fuente de alimentación esa parte del circuito o el receptor eléctrico en el que ocurre una sobrecorriente o un cortocircuito. Para hacer esto, use disyuntores, fusibles y otros dispositivos que tengan una función similar: romper el circuito durante una sobrecarga.

De la ley de Joule-Lenz se deduce que el sobrecalentamiento de un conductor puede ocurrir no solo debido al exceso de corriente a través de su sección transversal, sino también debido a una mayor resistencia del conductor. Por esta razón, para el funcionamiento completo y confiable de cualquier instalación eléctrica, la resistencia es extremadamente importante, especialmente en los lugares donde los conductores individuales están conectados entre sí.

Si los conductores no están conectados firmemente, si su contacto entre ellos no es de alta calidad, entonces la resistencia en la unión (la llamada resistencia de transición en la unión) será mayor que para una sección integral de un conductor de la misma longitud.

Como resultado del paso de corriente a través de una conexión de baja calidad, no lo suficientemente densa, el lugar de esta conexión se sobrecalentará, que está lleno de fuego, quemaduras de conductores o incluso un incendio.

Para evitar esto, los extremos de los conductores conectados están pelados, estañados y equipados con terminales de cable (soldados o prensados) o mangas que proporcionan un margen para la resistencia de transición en el punto de contacto. Estas puntas se pueden fijar firmemente a los terminales de una máquina eléctrica mediante pernos.

Para dispositivos eléctricos diseñados para encender y apagar la corriente, también se toman medidas para reducir la resistencia de transición entre los contactos.

El autor del artículo es Andrey Povny - electrk.info