Почему тонкий удлинитель с обогревателем греется, а на технике такие толстые кабели при безопасных 24 В? Подключай нагрузку, удлиняй кабель, выбирай сечение и смотри на температуру жилы.
Нагрев растет как квадрат тока: вдвое больший ток греет провод в четыре раза сильнее. Поэтому один и тот же прибор опаснее для проводки при низком напряжении. Фаре мощностью 100 Вт от сети 12 В нужен ток 8,3 А, а лампе той же мощности от сети 220 В всего 0,45 А. В одинаковом проводе первая выделит тепла в 340 раз больше. Вот почему в машинах и на технике такие толстые кабели при таком безопасном напряжении.
Нагрев растет как квадрат тока: пунктир отмечает допустимый ток по ПУЭ, при нем жила нагревается до 65 °C. Потеря напряжения растет с длиной кабеля, для освещения допускают не больше 5 %.
ⓘ Кабель из двух жил, ток идет туда и обратно. Кабель проложен открыто, воздух вокруг 25 °C. Допустимые токи взяты из ПУЭ (таблицы 1.3.4 и 1.3.5). Прибор рассчитан на напряжение сети, его сопротивление постоянное.
Первая формула говорит, сколько тепла выделяет ток. Вторая, какое сопротивление у провода. Третья, сколько напряжения не доходит до прибора. Под каждой формулой стоят числа из опыта.
Сколько тепла выделяет ток в проводе?
Закон Джоуля–Ленца. Тепло пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени. Делим на время и получаем мощность нагрева: P = I² · R.
Какое сопротивление у провода?
Длинный провод сопротивляется больше, толстый меньше. Удвоил длину, сопротивление удвоилось. Удвоил сечение, сопротивление упало вдвое. Медь проводит лучше алюминия примерно в 1,6 раза.
Сколько напряжения теряется по дороге?
Провод работает как еще один резистор, включенный последовательно с прибором. На нем падает часть напряжения, и до прибора доходит меньше. Лампа светит тусклее, двигатель тяжело запускается.
Электроны в проводе не летят свободно. Они постоянно сталкиваются с атомами металла и передают им часть энергии. Атомы начинают колебаться сильнее, а это и есть нагрев. Чем больше электронов проходит в секунду, тем больше столкновений.
Почему именно квадрат тока? Мощность равна U · I, а напряжение на проводе по закону Ома равно I · R. Подставляем и получаем P = I · R · I = I² · R. Ток работает дважды: от него зависит и сколько зарядов проходит, и с какой силой их толкает напряжение на проводе.
Провод не нагревается бесконечно. Он отдает тепло воздуху, и чем он горячее, тем быстрее отдает. Наступает равновесие: сколько тепла выделяется, столько и уходит. По этой температуре и выбирают допустимый ток: для обычной изоляции из ПВХ жила не должна нагреваться выше 65–70 °C.
Сечение подбирают по двум условиям: кабель не должен перегреваться при рабочем токе, а напряжение на дальнем конце не должно падать ниже нормы. На длинной линии второе условие часто строже первого.
Тонкий удлинитель на барабане с мощным обогревателем или сваркой греется, а в смотанном виде еще сильнее: тепло некуда уходить. Поэтому на барабанах пишут допустимую мощность отдельно для смотанного и размотанного кабеля.
При 24 В ток вдвое меньше, чем при 12 В той же мощности, а нагрев проводов вчетверо меньше. Это одна из причин, почему грузовики и карьерная техника работают на 24 В. Кабель стартера при этом все равно толщиной с палец.
Электроэнергию передают на большие расстояния при сотнях тысяч вольт. Та же мощность при высоком напряжении означает малый ток, а потери I² · R падают в квадрате.
Тот же закон работает в электрочайнике, обогревателе, подогреве зеркал и сидений, в подогреве дизельного топлива и масла на морозе. Здесь специально берут материал с большим сопротивлением.
Тонкая проволочка в предохранителе греется быстрее проводки. При перегрузке она плавится первой и разрывает цепь, пока кабель еще не успел нагреться.
Температура жилы оценена по таблицам ПУЭ: при допустимом токе жила нагревается до 65 °C при воздухе 25 °C, а нагрев растет как квадрат тока. В трубе, в пучке с другими кабелями или в смотанном удлинителе допустимый ток меньше. Сопротивление провода считается постоянным, хотя у горячей меди оно выше на 15–20 %. Прибор рассчитан на напряжение сети, а его сопротивление считается постоянным. Модель годится для оценки и сравнения вариантов, а настоящий выбор сечения делают по ПУЭ с поправками на условия прокладки.