Grijaće žice strujom

Budući da je količina topline koju stvara struja dok teče kroz žicu proporcionalna vremenu, temperatura žice mora stalno rasti kako struja teče kroz žicu. Zapravo, kada struja kontinuirano prolazi kroz žicu, uspostavlja se određena stalna temperatura, iako se kontinuirano oslobađanje topline nastavlja u ovoj žici.

Ova pojava se objašnjava činjenicom da svako tijelo čija je temperatura viša od temperature okoline oslobađa toplinsku energiju u okolinu zbog činjenice da:

• prvo, samo tijelo i tijela u kontaktu s njim imaju toplinsku vodljivost;

• drugo, slojevi zraka uz tijelo se zagrijavaju, dižu i ustupaju mjesto hladnijim slojevima, koji se ponovno zagrijavaju, i tako dalje. (konvekcija topline);

• treće, zbog činjenice da zagrijano tijelo emitira tamne, a ponekad i vidljive zrake u okolni prostor, trošeći dio svoje toplinske energije na to (zračenje).

Svi navedeni gubici topline su to veći što je veća razlika između temperatura tijela i okoline.Stoga, kada temperatura vodiča postane toliko visoka da je ukupna količina topline koju vodič predaje okolnom prostoru u jedinici vremena jednaka količini topline koju u vodiču svake sekunde stvara električna struja, tada temperatura vodiča će prestati rasti i postat će stalan.

Gubitak topline iz vodiča tijekom prolaska struje je previše složena pojava da bi se teoretski dobila ovisnost temperature vodiča o svim okolnostima koje utječu na brzinu hlađenja tijela.

Ipak, neki se zaključci mogu izvući na temelju teorijskih razmatranja. U međuvremenu, pitanje temperature žica od velike je praktične važnosti za sve tehničke proračune mreže, reostata, namota itd. Stoga se u tehnici koriste empirijskim formulama, pravilima i tablicama koje daju odnos između presjeka žica i dopuštene jakosti struje u različitim uvjetima u kojima se žice nalaze. Neki se kvalitativni odnosi mogu predvidjeti i lako empirijski ustanoviti.

Očito, svaka okolnost koja smanjuje utjecaj jednog od tri uzroka hlađenja tijela povećava temperaturu vodiča. Istaknimo neke od ovih okolnosti.

Neizolirana ravna žica zategnuta vodoravno ima nižu temperaturu od iste žice pri istoj jakosti struje u okomitom položaju, jer se u drugom slučaju zagrijani zrak diže duž žice i zamjena zagrijanog zraka hladnim zrakom dolazi sporije, nego u prvom slučaju.

Žica namotana u spiralu zagrijava se puno više nego slična žica iste amperaže razvučena u ravnoj liniji.

Vodič prekriven slojem izolacije zagrijava se jače od neizoliranog, jer je izolacija uvijek loš vodič topline, a temperatura površine izolacije znatno je niža od temperature vodiča, pa hlađenje ta je površina zračnim strujanjima i zračenjem mnogo manja.

Ako se žica stavi u vodik ili užareni plin, koji imaju veću toplinsku vodljivost od zraka, tada će temperatura žice za istu jakost struje biti niža nego u zraku. Naprotiv, s ugljikovim dioksidom, čija je toplinska vodljivost manja od zraka, žica se više zagrijava.

Ako se vodič stavi u šupljinu (vakuum), tada će konvekcija topline potpuno prestati i zagrijavanje vodiča bit će mnogo veće nego u zraku. Ovo se koristi pri ugradnji žarulja sa žarnom niti.

Općenito, hlađenje zračnih struja žica je od primarne važnosti među ostalim čimbenicima hlađenja. Svako povećanje rashladne površine smanjuje temperaturu vodiča. Stoga se snop tankih paralelnih žica koje se međusobno ne dodiruju mnogo bolje hladi nego debela žica istog otpora, čiji je presjek jednak zbroju presjeka svih žica u snopu. .

Da bi se napravili reostati relativno male težine, kao vodiči koriste se vrlo tanke metalne trake, koje se presuju kako bi se smanjila njihova duljina.

Budući da je količina topline koju daje struja u vodiču proporcionalna njegovom otporu, tada se u slučaju dva vodiča iste veličine, ali različite tvari, vodič čiji je otpor veći zagrijava na višu temperaturu.

Smanjivanjem poprečnog presjeka žice možete toliko povećati njezin otpor da temperatura dosegne talište. Ovo se koristi za zaštitu mreže i uređaja od oštećenja strujama jačine od one za koju su uređaji i mreža predviđeni.

Za ovaj tzv osigurači, koje su kratke žice izrađene od metala s niskim talištem (srebro ili olovo). Presjek ove žice izračunat je tako da se pri određenoj zadanoj jakosti struje ova žica topi.

Podaci navedeni u tablicama za traženje presjeka osigurača za različite struje odnose se na osigurače duljine barem određenih dimenzija.

Vrlo kratki osigurač bolje se hladi od dugog zbog dobre toplinske vodljivosti bakrenih stezaljki na koje je spojen te se stoga topi pri nešto većoj struji. Osim toga, duljina osigurača mora biti tolika da se prilikom topljenja između krajeva žica ne može stvoriti električni luk. Na taj način se određuje najmanja duljina osigurača ovisno o naponu mreže.

Vidi također:

Zagrijavanje dijelova pod naponom s produženim protokom struje u formulama