Làm nóng dây với dòng điện

Vì lượng nhiệt do dòng điện sinh ra khi nó chạy qua dây dẫn tỷ lệ thuận với thời gian nên nhiệt độ của dây dẫn phải tăng liên tục khi dòng điện chạy qua dây dẫn. Trên thực tế, khi một dòng điện liên tục chạy qua một dây dẫn, một nhiệt độ không đổi nhất định được thiết lập, mặc dù sự giải phóng nhiệt liên tục vẫn tiếp tục trong dây dẫn này.

Hiện tượng này được giải thích là do vật nào có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của môi trường thì tỏa nhiệt năng ra môi trường do:

• thứ nhất, bản thân cơ thể và các cơ thể tiếp xúc với nó có tính dẫn nhiệt;

• thứ hai, các lớp không khí tiếp giáp với cơ thể được làm nóng, bay lên và nhường chỗ cho các lớp lạnh hơn, được làm nóng trở lại, v.v. (đối lưu nhiệt);

• thứ ba, do cơ thể nóng lên phát ra các tia tối và đôi khi có thể nhìn thấy được vào không gian xung quanh, dành một phần năng lượng nhiệt của nó cho việc này (bức xạ).

Tất cả các tổn thất nhiệt trên càng lớn, sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể và môi trường càng lớn.Do đó, khi nhiệt độ của vật dẫn tăng cao đến mức tổng nhiệt lượng do vật dẫn tỏa ra không gian xung quanh trong một đơn vị thời gian bằng với nhiệt lượng do dòng điện tỏa ra trong vật dẫn trong mỗi giây, thì nhiệt độ của dây dẫn sẽ ngừng tăng và sẽ trở thành vĩnh viễn.

Sự mất nhiệt từ một dây dẫn trong quá trình dòng điện chạy qua là một hiện tượng quá phức tạp về mặt lý thuyết để có được sự phụ thuộc của nhiệt độ của dây dẫn vào tất cả các trường hợp ảnh hưởng đến tốc độ làm mát của cơ thể.

Tuy nhiên, một số kết luận có thể được rút ra dựa trên những cân nhắc lý thuyết. Trong khi đó, câu hỏi về nhiệt độ của dây có tầm quan trọng thực tế lớn đối với tất cả các tính toán kỹ thuật của mạng, biến trở, cuộn dây, v.v. Do đó, trong công nghệ, họ sử dụng các công thức, quy tắc và bảng thực nghiệm đưa ra mối quan hệ giữa tiết diện của dây và cường độ dòng điện cho phép trong các điều kiện khác nhau của dây. Một số mối quan hệ định tính có thể được dự đoán và dễ dàng thiết lập theo kinh nghiệm.

Rõ ràng, bất kỳ hoàn cảnh nào làm giảm ảnh hưởng của một trong ba nguyên nhân làm mát cơ thể đều làm tăng nhiệt độ của vật dẫn. Hãy để chúng tôi chỉ ra một số trong những trường hợp này.

Một dây thẳng không được cách điện kéo dài theo chiều ngang có nhiệt độ thấp hơn so với cùng một dây ở cùng cường độ dòng điện ở vị trí thẳng đứng, bởi vì trong trường hợp thứ hai, không khí nóng lên dọc theo dây và sự thay thế không khí nóng bằng không khí lạnh diễn ra chậm hơn, hơn trong trường hợp đầu tiên.

Một sợi dây quấn theo hình xoắn ốc nóng lên nhiều hơn so với một sợi dây tương tự có cùng cường độ được kéo dài theo đường thẳng.

Dây dẫn được phủ một lớp cách nhiệt nóng lên nhiều hơn so với dây dẫn không được cách nhiệt, vì lớp cách nhiệt luôn dẫn nhiệt kém và nhiệt độ của bề mặt lớp cách nhiệt thấp hơn nhiều so với nhiệt độ của dây dẫn, do đó làm mát bề mặt này bởi các luồng không khí và bức xạ nhỏ hơn nhiều.

Nếu một sợi dây được đặt trong khí hydro hoặc khí phát sáng, có tính dẫn nhiệt cao hơn không khí, thì nhiệt độ của dây dẫn với cùng cường độ dòng điện sẽ thấp hơn trong không khí. Ngược lại, với carbon dioxide, có độ dẫn nhiệt thấp hơn không khí, dây nóng lên nhiều hơn.

Nếu dây dẫn được đặt trong một khoang (chân không), thì sự đối lưu nhiệt sẽ dừng lại hoàn toàn và sự nóng lên của dây dẫn sẽ lớn hơn nhiều so với trong không khí. Điều này được sử dụng khi cài đặt bóng đèn sợi đốt.

Nói chung, việc làm mát các luồng không khí của dây dẫn có tầm quan trọng hàng đầu trong số các yếu tố làm mát khác. Bất kỳ sự gia tăng nào về diện tích bề mặt làm mát đều làm giảm nhiệt độ của dây dẫn. Do đó, một bó dây mảnh song song không tiếp xúc với nhau được làm mát tốt hơn nhiều so với một sợi dây dày có cùng điện trở, có tiết diện bằng tổng tiết diện của tất cả các dây trong bó .

Để tạo ra các bộ biến trở có trọng lượng tương đối thấp, các dải kim loại rất mỏng được sử dụng làm dây dẫn, được gấp nếp để giảm chiều dài của chúng.

Vì nhiệt lượng do dòng điện tỏa ra trong một dây dẫn tỷ lệ thuận với điện trở của nó, nên trong trường hợp hai dây dẫn có cùng kích thước nhưng khác chất, thì dây dẫn nào có điện trở lớn hơn thì được nung nóng ở nhiệt độ cao hơn.

Bằng cách giảm tiết diện của dây, bạn có thể tăng điện trở của nó đến mức nhiệt độ của nó đạt đến điểm nóng chảy. Điều này được sử dụng để bảo vệ mạng và thiết bị khỏi bị hư hỏng bởi dòng điện có cường độ lớn hơn dòng điện được thiết kế cho thiết bị và mạng.

Đối với cái gọi là này cầu chì, là những dây ngắn làm bằng kim loại nóng chảy thấp (bạc hoặc chì). Mặt cắt ngang của dây này được tính toán sao cho ở một cường độ dòng điện xác định nhất định, dây này sẽ tan chảy.

Dữ liệu đưa ra trong các bảng để tra cứu mặt cắt ngang của cầu chảy đối với các dòng điện khác nhau đề cập đến cầu chì có chiều dài ít nhất là một số kích thước nhất định.

Cầu chì rất ngắn làm mát tốt hơn cầu chì dài do tính dẫn nhiệt tốt của các kẹp đồng mà nó được kết nối và do đó nóng chảy ở dòng điện cao hơn một chút. Ngoài ra, chiều dài của cầu chì phải sao cho khi nó nóng chảy, hồ quang điện không thể hình thành giữa các đầu dây. Theo cách này, chiều dài cầu chì nhỏ nhất được xác định tùy thuộc vào điện áp nguồn.

Xem thêm:

Làm nóng các bộ phận mang điện với dòng điện mở rộng trong công thức