Elektrotechnika - różne pytania

1. JAK OBLICZA SIĘ ILOŚĆ CIEPŁA WYDZIELANEGO PRZEZ PRĄD ELEKTRYCZNY PŁYNĄCY W PRZEWODZIE?

Joule i Lenz stwierdzili niezależnie od siebie, że energia elektryczna dostarczona przewodnikowi podczas przepływu prądu elektrycznego przemienia się w całości w ciepło Qc=W. Dla odróżnienia od ładunku ciepło oznaczamy literą Q z dodaniem wskaźnika c u dołu. Zgodnie z prawem Ohma, napięcie U na końcach przewodnika o rezystancji R przy przepływie prądu I.

Qc=RI2t

Wzór ten jest matematycznym zapisem prawa Joule’a-Lenza:

Ilości ciepła Qc wydzielonego w przewodniku pod wpływem prądu elektrycznego jest proporcjonalna do rezystancji R przewodnika,
do kwadratu prądu i oraz do czasu t przepływu prądu.

2. JAK WYKORZYSTUJE SIĘ PRZEMIANY ENERGII ELEKTRYCZNEJ W CIEPŁO?

Proces przemiany energii elektrycznej w ciepło odznacza się dużą czystością, łatwością regulacji mocy i samoczynnej regulacji temperatury. Nie ma tu niepożądanych produktów spalania jak w piecach gazowych lub węglowych. Dzięki tym zaletom rozwinęła się dziedzina elektrotechniki zwana elektrotermią albo grzejnictwem elektrycznym.
Grzejnictwo elektryczne jest bardzo rozpowszechnione w gospodarstwie domowym i w niektórych gałęziach przemysłu, np. przy wytopie stali szlachetnych i metali kolorowych, w produkcji aluminium, w obróbce cieplnej stali itp. Ze stosowanych kilku metod grzejnych wymienimy:
- Nagrzewanie (rezystancyjne), polegające na wydzielaniu się ciepła przy przepływie prądu elektrycznego przez przewodzące ciała stałe;
- Nagrzewanie promiennikowe polegające na wykorzystaniu energii wypromieniowanej przez tak zwane promienniki podczerwieni;
- Nagrzewanie łukowe, w którym jako źródło wykorzystany jest łuk elektryczny utrzymujący się między elektrodami lub między elektrodami a nagrzewanym materiałem.
Element grzejny rezystancyjny wykonany z drutu lub taśmy rezystancyjnej dla temperatur roboczych 1150-1600 K albo w postaci prętów sylitowych
(do 1700 K), kryptolowych (do 2000 K) lub grafitowych (do 2800 K).
W gospodarstwie domowym są używane:
- Płyty grzejne, zwane pospolicie kuchniami elektrycznymi;
- Warniki, czyli bojlery;
- Piekarniki elektryczne;
- Elektryczne naczynia grzejne (czajniki, garnki, patelnie);
- Grzałki nurkowe do zanurzania w wodzie przeznaczonej do zagrzania lub zagotowania;
- Żelazka do prasowania, suszarki do włosów, poduszki elektryczne itd.
W urządzeniach grzejnych rezystancyjnych cała energia elektryczna zamienia się na ciepło (i ewentualnie na promieniowanie), ale nie cała zostaje wykorzystana, tj. oddana ogrzewanemu przedmiotowi. Część ciepła tracimy, np. na ogrzanie samej płytki grzejnej.
Podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewody, uzwojenie maszyn elektrycznych, transformatorów, cewek w aparatach itp. powstają straty energii, które zgodnie z prawem Joule’a przemieniają się w całości
w ciepło.
Pierwszym bezpośrednim skutkiem wydzielania się ciekła jest przyrost temperatury przewodu. Nasuwa się zaraz pytanie, czy przy długotrwałym przepływie prądu temperatura prądu będzie się dalej podwyższać?
Aby na to pytanie odpowiedzieć, musimy sobie przypomnieć dobrze znany fakt, że ciała nagrzane, a następnie pozostawione w powietrzu,
np. żelazko elektryczne lub grzałka elektryczna po wyłączeniu s pod napięcia, stygną. Stygnięcie polega na oddawaniu ciepła do otoczenia, którym może być powietrze dla przewodów umieszczonych w powietrzu, ziemia dla
kabli ziemnych, olej dla uzwojeń transformatorów itp. Ilość oddawanego
w czasie Δt* ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatury T ciała
i temperatury To otoczenia oraz do powierzchni zewnętrznej ciała.
Początkowo zanim przewód się nagrzeje, prawie całe wytworzone
w przewodzie ciepło powoduje przyrost jego temperatury. W miarę nagrzewania części wytwarzanego ciepła zostaje oddana otoczeniu, a tylko część powoduje dalszy przyrost temperatury. Gdy wreszcie ilość ciepła oddawanego otoczeniu zrównoważy się z ilością ciepła wytwarzanego temperatura przewodu ustala się na wartość Tust.
Ustalony przyrost temperatury przewodu względem temperatury otoczenia (Tust-To) jest proporcjonalny do kwadratu prądu płynącego przez przewód
w danych warunkach oddawania ciepła.
Przewody o małym przekroju nagrzewają się szybciej, a tym samym szybciej osiągają temperaturę ustaloną niż przewody o dużym przekroju.

3. POWSTAWANIE PRĄDÓW WIROWYCH I ICH WYKORZYSTANIE.

W maszynach elektrycznych i niektórych przyrządach spotykamy się
z wirowaniem mas metalowych w polu magnetycznym. Podobnie jak przy przecinaniu linii sił pola magnetycznego przez przewodnik, w masach wirujących indukuje się siła elektromotoryczna. Na rysunku przedstawiona jest tarcza metalowa, obracająca się w polu podkowiastego magnesu trwałego, między jego biegunami N i S. Pod wpływem SEM indukcji
w tarczy powstają prądy zamykające się
w masie metalu. Prądy te nazywamy prądami wirowymi. Kierunek tych prądów jest taki,
że wywołane przez nie własne pole magnetyczne jest skierowane przeciwnie polu głównemu. Między polem głównym a prądami wirowymi w tarczy powstają siły F skierowane wg reguły lewej ręki przeciw obrotowi tarczy
i wobec tego działające na nią hamująco.
Zjawisko hamowania, wywołane przez prądy wirowe, wyzyskane jest przy budowie hamulców wirujących, przy czym energia hamowania zamienia się na ciepło. Aby zmniejszyć wielkość prądów wirowych, należy powiększyć oporność elektryczną drogi dla każdego obwodu prądu wirowego. W tym celu masy metalowe wirujące w polu magnetycznym dzieli się na odpowiedni cienki warstwy, izolowane między sobą lakierem lub bibułą. W ten sposób wielkość strumienia magnetycznego, przypadająca na poszczególne warstwy, jest odpowiednio mniejsza, a zatem i SEM indukcji wypada mniejsza. Wobec tego i prądy wirowe, które są proporcjonalne do SEM, będą mniejsze, przy czym długość drogi dla prądów będzie uzależniona od grubości warstwy. Ponieważ prądy wirowe powstają przy przecinaniu linii pola przez masę metalową, co równoważne jest zmianie wielkości przecinanego strumienia
w jednostce czasu, to zjawisko prądów wirowych powstaje również wtedy, gdy masa jest nieruchoma, zaś strumień przenikający masę zmienia się, co do wielkości.
Aby zmniejszyć straty na prądy wirowe, używa się na części żelazne aparatów znajdujących się w zmiennym polu magnetycznym stopów stali
z krzemem, posiadających znaczny opór właściwy. Dzięki temu przy tej samej SEM indukowanej w poszczególnych elementach metalowych opór drogi dla prądu jest większy, a zatem wielkość prądu wirowego mniejsza.