Topné dráty s proudem

Protože množství tepla generovaného proudem, který protéká drátem, je úměrné času, musí se teplota drátu neustále zvyšovat s tím, jak proud prochází drátem. Ve skutečnosti, když proud nepřetržitě prochází drátem, je ustavena určitá konstantní teplota, ačkoli nepřetržité uvolňování tepla v tomto drátu pokračuje.

Tento jev se vysvětluje skutečností, že každé těleso, jehož teplota je vyšší než teplota prostředí, uvolňuje tepelnou energii do prostředí, protože:

• za prvé, samotné těleso a tělesa, která jsou s ním v kontaktu, mají tepelnou vodivost;

• za druhé, vrstvy vzduchu přiléhající k tělu se ohřívají, stoupají nahoru a ustupují chladnějším vrstvám, které se znovu zahřívají a tak dále. (konvekce tepla);

• zatřetí kvůli tomu, že zahřáté těleso vyzařuje do okolního prostoru tmavé a někdy i viditelné paprsky a utrácí na to část své tepelné energie (záření).

Všechny výše uvedené tepelné ztráty jsou tím větší, čím větší je rozdíl mezi teplotami těla a prostředí.Když se tedy teplota vodiče zvýší tak, že celkové množství tepla odevzdaného vodičem do okolního prostoru za jednotku času se rovná množství tepla generovaného ve vodiči každou sekundu elektrickým proudem, pak vodiče přestane narůstat a stane se trvalým.

Ztráta tepla z vodiče při průchodu proudu je příliš složitý jev na to, abychom teoreticky získali závislost teploty vodiče na všech okolnostech, které ovlivňují rychlost ochlazování tělesa.

Některé závěry však lze vyvodit na základě teoretických úvah. Mezitím má otázka teploty vodičů velký praktický význam pro všechny technické výpočty sítě, reostatů, vinutí atd. Proto v technice používají empirické vzorce, pravidla a tabulky, které udávají vztah mezi průřezy vodičů a přípustnou proudovou silou za různých podmínek, ve kterých se vodiče nacházejí. Některé kvalitativní vztahy lze předvídat a snadno empiricky stanovit.

Je zřejmé, že jakákoli okolnost, která snižuje vliv jedné ze tří příčin ochlazování těla, zvyšuje teplotu vodiče. Uveďme některé z těchto okolností.

Neizolovaný rovný drát natažený vodorovně má nižší teplotu než stejný drát při stejné proudové síle ve svislé poloze, protože v druhém případě ohřátý vzduch stoupá podél drátu a náhrada ohřátého vzduchu studeným probíhá pomaleji, než v prvním případě.

Drát stočený do spirály se zahřívá mnohem více než podobný drát o stejné intenzitě natažený v přímce.

Vodič pokrytý vrstvou izolace se zahřívá více než neizolovaný, protože izolace je vždy špatným vodičem tepla a teplota povrchu izolace je mnohem nižší než teplota vodiče, takže ochlazování tento povrch vzdušnými proudy a zářením je mnohem menší.

Pokud je drát umístěn ve vodíku nebo žhavém plynu, které mají vyšší tepelnou vodivost než vzduch, bude teplota drátu při stejné síle proudu nižší než ve vzduchu. Naopak u oxidu uhličitého, jehož tepelná vodivost je nižší než u vzduchu, se drát zahřívá více.

Pokud je vodič umístěn v dutině (vakuu), pak se konvekce tepla úplně zastaví a ohřev vodiče bude mnohem větší než ve vzduchu. To se používá při instalaci žárovek.

Obecně platí, že chlazení vzduchových proudů drátů má primární význam mezi ostatními chladicími faktory. Jakékoli zvětšení chladicí plochy snižuje teplotu vodiče. Proto je svazek tenkých paralelních drátů, které nejsou ve vzájemném kontaktu, chlazen mnohem lépe než tlustý drát o stejném odporu, jehož průřez je roven součtu průřezů všech drátů ve svazku. .

Aby se vyrobily reostaty s relativně nízkou hmotností, používají se jako vodiče velmi tenké kovové pásy, které jsou krimpovány, aby se zkrátila jejich délka.

Protože množství tepla vydávaného proudem ve vodiči je úměrné jeho odporu, pak v případě dvou vodičů stejné velikosti, ale rozdílné látky, se vodič, jehož odpor je větší, zahřeje na vyšší teplotu.

Zmenšením průřezu drátu můžete zvýšit jeho odpor natolik, že jeho teplota dosáhne bodu tání. To se používá k ochraně sítě a zařízení před poškozením proudy o větší síle, než pro které jsou zařízení a síť navržena.

Pro tento tzv pojistky, což jsou krátké dráty vyrobené z kovu s nízkou teplotou tavení (stříbra nebo olova). Průřez tohoto drátu je vypočítán tak, aby se při určité specifikované síle proudu tento drát roztavil.

Údaje uvedené v tabulkách pro vyhledání průřezu pojistek pro různé proudy se vztahují na pojistky s délkou alespoň určitých rozměrů.

Velmi krátká pojistka chladí lépe než dlouhá díky dobré tepelné vodivosti měděných svorek, ke kterým je připojena, a proto se taví při mírně vyšším proudu. Kromě toho musí být délka pojistky taková, aby při jejím roztavení nemohl vzniknout mezi konci drátů elektrický oblouk. Tímto způsobem se určí nejmenší délka pojistky v závislosti na síťovém napětí.

Viz také:

Ohřev živých částí s prodlouženým průtokem proudu ve vzorcích