Меню

Что такое тема тепловой ток

§ 14. Тепловое действие тока

Выделение тепла при прохождении электрического тока.

При прохождении 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 I 2 , сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I 2 Rt (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 пр.), 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 мм 2 площади s поперечного сечения проводника):

J = I/s (35)

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь
или 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/мм 2 , в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм 2 .

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 мм 2 допускается плотность тока 10,2 А/мм 2 , а 50 мм 2 — только 4,3 А/мм 2 ; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 А/мм 2 .

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 привести к короткому замыканию и пожару. 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.

Читайте также:  Преобразование тока в другие виды энергии

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 пожарном отношении, а значительный нагрев может привести 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-

Схема выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте
Рис. 32. Схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контактеРис. 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.


Источник

Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников

Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.

Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.

Закон Джоуля-Ленца

Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.

Электрическая плитка

Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.

Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.

Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.

Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.

К примеру для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.

Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.

Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.

Читайте также:  Оказание первой помощи при поражении электрическим током если есть пульс

Нагретые током электрические проводники

С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.

Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.

Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.

Электродвигатель на экране тепловизора

Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.

Электрическое соединение жил кабеля с помощью клеммника

Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.

В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.

Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, облуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.

К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Тепловой ток

Тепловой ток iT, определяющийся образованием дырок и электронов при тепловом движении, остается неизменным для данной температуры. Поэтому счростом приложенного напряжения увеличивается ток / if-ij стремясь по величине к тепловому току ( рис. 18 — 4), который относительно мал. [2]

Тепловой ток , при прочих равных условиях, обратно пропорционален ширине запрещенной зоны полупроводникового материала. [3]

Тепловой ток в схеме с ОЭ имеет также другое значение, нежели в схеме ОБ. Это объясняется влиянием эмиттерного перехода на рост теплового тока в схеме с ОЭ. [5]

Тепловые токи 1 э0 и Гк0 в справочниках на параметры транзисторов не приводятся, но даются сведения о токе / К. [6]

Читайте также:  Как рассчитать частоту колебаний тока

Тепловой ток для этих решений очень мал. Возмущение, связанное с заменой / 0 на /, спадает с уменьшением температуры. [7]

Тепловой ток образуется неосновными носителями, которые генерируются в прилегающих к пространственному заряду объемах полупроводника, с толщиной порядка диффузионной длины L, приходят в область действия пространственного заряда и, подхватываясь его полем, переносятся беспрепятственно в соседнюю область. [8]

Тепловой ток сильно изменяет входные ( рис. 87, а) и выходные ( рис. 87, б) характеристики транзистора, что можно объяснить следующим. [10]

Тепловой ток резко снижается с ростом ширины запрещенной зоны. Тепловой ток уменьшается с ростом концентрации примесей вследствие снижения концентрации неосновных носителей. [11]

Меньший тепловой ток у кремниевых триодов является их заметным преимуществом, поскольку температурное влияние на режим их работы сказывается значительно слабее. [12]

Тепловой ток ISK является своеобразной характеристикой качества данного образца. В схемах с полупроводниковыми триодами ток ISK является важным параметром, используемым при расчетах. [13]

Предельный тепловой ток / Тепл — это действующее значение тока, который за время своего действия в течение 1 сек нагревает проводники до предельной температуры. [14]

Тепловые токи закрытого транзистора / со, / ко малы, и в данном случае мы ими пренебрегаем. [15]

Источник



Тепловой ток диода

Видеале считалось, что обратный ток обусловлен только движением неосновных носителей, которые в полупроводнике образуются главным образом за счёт тепловой генерации пар зарядов. Поэтому этот ток называют тепловым.

Величина теплового тока диода определяется как:

где и — коэффициенты диффузии дырок и электронов соответственно и определяются количеством носителей, проходящих через единичную площадку за 1 секунду (для германия , ), и — равновесные концентрации неосновных носителей; — площадь перехода; и — ширина областей, прилегающих к металлургической границе p-n-перехода со стороны n- и p-областей соответственно.

В случае малых размеров прилегающих слоев эмиттера и базы ( ) выражение для теплового тока примет вид:

где и толщина прилегающих слоев эмиттера и базы соответственно.

Значения коэффициентов диффузии можно определить из следующего соотношения:

где и есть не что иное, как скорости генерации дырок и электронов соответственно. Таким образом, тепловой ток в идеализированном переходе, ширина которого стремится к , обусловлен генерацией неосновных носителей в объёмах полупроводников и , прилегающих к металлургической границе перехода. Из сравнения (1.1.2) и (1.1.3) ясно, что при неосновные носители могут не дойти до перехода и, следовательно, не будут участвовать в движении через запирающий слой.

Величина теплового тока также зависит и от площади перехода — с увеличением площади растет . Не менее существенна зависимость теплового тока и от концентрации неосновных носителей. Если диод образован несимметричным p-n-переходом и степень легирования p-эммитера значительно выше степени легирования n-базы ( ), то концентрация неосновных носителей в базе будет больше, чем в эмиттере, т.е. основную роль в образовании теплового тока будут играть неосновные носители базы — дырки. Выражение для теплового тока потому принимает следующий вид:

Концентрация неосновных носителей определяется формулой:

В данном случае . Подставив (1.1.6) в (1.1.5) получим следующее выражение для теплового тока:

из которого видно, что величина теплового тока пропорциональна квадрату собственной концентрации и сильно зависит от температуры.

Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением, поэтому обратный тепловой ток p-n-перехода, образованный за счет неосновных носителей, характеризуется следующими температурными изменениями / /:

где — значение теплового тока при комнатной температуре .

Источник