ผลกระทบทางความร้อนของกระแสไฟและความปลอดภัย

อุปกรณ์หนึ่งชิ้นทำงานได้ แต่เมื่อต่อหลายชิ้น สายเดิมกลับร้อนมาก เหตุใดกระแสจึงมีผลต่อพลังงานที่เกิดขึ้นมากกว่าที่คาดจากการเพิ่มสองเท่าอย่างง่าย?

สนามทำงานต่อประจุที่เคลื่อนที่ ประจุมีปฏิสัมพันธ์กับสารของตัวนำและถ่ายโอนพลังงานให้สาร ในส่วนที่มีความต้านทาน พลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนเป็นพลังงานภายใน เรียกว่าความร้อนแบบจูล พลังงานที่เกิด Q วัดเป็นจูล อาจคงอยู่ในตัวนำหรือถ่ายโอนออกสู่สิ่งแวดล้อม ขดลวดทำความร้อนจึงให้พลังงานต่อเนื่องได้แม้อุณหภูมิหยุดเพิ่มแล้ว

ตัวต้านทานเปลี่ยนกำลังไฟฟ้า UI เป็นความร้อน แทน U = IR แล้วในเวลา t ได้กฎของจูล–เลนซ์ Q = I²Rt เมื่อ I และ R คงที่ หน่วย А²·Ом·с ให้จูล กำลังสองเกิดเพราะเพิ่มกระแสที่ R เดิมต้องเพิ่มแรงดันด้วย เมื่อกระแสเป็นศูนย์ ความร้อนแบบจูลเป็นศูนย์ เวลาสองเท่าให้พลังงานสองเท่า Q คือพลังงาน ไม่ใช่จำนวนองศา

เพิ่มกระแสในสายเดิมสองเท่าโดยความต้านทานและเวลาเท่าเดิม ในสูตรได้ (2I)² = 4I² จึงเกิดพลังงานสี่เท่า การเพิ่มโหลดบนสายร่วมจึงเพิ่มความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ต้องระบุเงื่อนไขเปรียบเทียบ เมื่อกระแสคงที่ R มากให้ Q มาก แต่เมื่อแรงดันคงที่ กระแสเปลี่ยนและ Q = U²t/R จึงเปรียบเทียบความต้านทานโดยไม่บอกว่าแหล่งจ่ายรักษาอะไรไว้ไม่ได้

Q สี่เท่าหมายถึงอุณหภูมิสี่เท่าหรือไม่? ไม่ใช่ อุณหภูมิมีค่าเริ่มต้น และการเปลี่ยนขึ้นกับมวลกับความจุความร้อน สำหรับตัวนำที่เป็นฉนวนความร้อนอุดมคติและไม่มีการเปลี่ยนสถานะ ΔT = Q/(cm) ลวดจริงถ่ายโอนพลังงานสู่อากาศและฐานรองด้วย อุณหภูมิอาจคงที่เมื่ออัตราเกิดพลังงานเท่ากับอัตราสูญเสีย หาก R เปลี่ยนขณะร้อน ก็ใช้ R คงที่ค่าเดียวตลอดช่วงไม่ได้เช่นกัน

การลัดวงจรเกิดเส้นทางความต้านทานต่ำมากโดยไม่ตั้งใจระหว่างจุดที่มีแรงดันต่างกัน เช่น ลัดผ่านอุปกรณ์ใช้ไฟฟ้า กระแสรวมเพิ่มอย่างรวดเร็ว แต่ไม่เป็นอนันต์เพราะแหล่งจ่าย หน้าสัมผัส และสายมีความต้านทานจริง ส่วนเหล่านี้เกิดพลังงานและอาจร้อนเกิน ดังนั้นความต้านทานต่ำในทางลัดไม่ได้แปลว่าทั้งวงจรจะไม่มีความร้อนอันตราย เพราะกระแสเปลี่ยนไปมาก

เลือกฟิวส์หรือเซอร์กิตเบรกเกอร์ให้เหมาะกับพิกัดกระแสของสาย เมื่อกระแสเกิน อุปกรณ์จะเปิดวงจร จำกัดเวลาเกิดพลังงานและลดความเสี่ยงร้อนเกิน แต่กระแสที่อันตรายต่อคนอาจต่ำกว่าค่าที่ทำให้อุปกรณ์ตัด เบรกเกอร์ทั่วไปจึงป้องกันสายเป็นหลัก ไม่ได้รับประกันความปลอดภัยเมื่อสัมผัสส่วนที่มีไฟ ห้ามเปลี่ยนพิกัดเองเพียงเพื่อให้มันไม่ตัด

ฉนวนเสียหายอาจเปิดทางให้กระแสผ่านคน และมือเปียกมักลดความต้านทานหน้าสัมผัส จึงไม่สัมผัสสายเปลือยหรืออุปกรณ์เสียหาย และไม่จับเครื่องใช้ไฟฟ้าด้วยมือเปียก เมื่อพบความเสียหาย ให้หยุดใช้และแจ้งผู้ใหญ่ การทดลองในโรงเรียนใช้แหล่งจ่ายแรงดันต่ำที่ออกแบบสำหรับงานนี้และวงจรที่ตรวจแล้ว การรู้สูตรความร้อนช่วยอธิบายกฎ แต่ไม่ได้ทำให้การสัมผัสอันตรายกลายเป็นการทดลองที่ทำได้

การป้องกันแต่ละแบบมีหน้าที่ต่างกัน ฉนวนกั้นไม่ให้สัมผัสตัวนำ สายดินป้องกันสร้างเส้นทางกระแสผิดปกติที่กำหนดไว้และช่วยให้ตัดไฟเมื่อเกิดความเสียหาย เครื่องตัดไฟรั่วตรวจผลต่างของกระแสขาไปกับขากลับ ซึ่งอาจบ่งชี้กระแสรั่ว มาตรการเหล่านี้ลดความเสี่ยงบางประเภท แต่ไม่ได้อนุญาตให้จับส่วนที่มีไฟ ผู้เชี่ยวชาญเป็นผู้ตรวจสภาพและการใช้อย่างถูกต้อง

กระแสคงตัว 2 A ไหลผ่านตัวต้านทาน 5 โอห์ม นาน 60 s จงหาพลังงานที่เกิด

ต้องการพลังงานที่เกิดในตัวต้านทาน โดยกระแสและความต้านทานคงที่ ใช้ Q = I²Rt

ยกกำลังสองกระแส: 2² = 4 จึงได้ Q = 4·5·60 = 1200 Дж กำลังที่เปลี่ยนเป็นความร้อนเท่ากับ 20 W ใน 60 s จึงให้ 1200 J เท่ากัน

นี่ไม่ใช่คำตอบอุณหภูมิ หากต้องการอุณหภูมิ ต้องรู้มวล ความจุความร้อน อุณหภูมิเริ่มต้น และการแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งแวดล้อม

1200 J ในแต่ละวินาทีเกิดพลังงาน 20 J บางส่วนอาจถ่ายโอนไปยังวัตถุรอบข้าง

Q = I²Rt อธิบายว่าพลังงานที่เกิดเพิ่มตามกำลังสองของกระแสเมื่อ R กับ t เท่าเดิม

อุณหภูมิยังขึ้นกับพลังงานที่สะสมและถ่ายโอนออก การลัดวงจรเปลี่ยนกระแสทั่ววงจรจริง

อุปกรณ์ป้องกันต่างชนิดมีหน้าที่ต่างกัน ยังคงห้ามสัมผัสส่วนที่มีไฟ

กระแสไม่ได้เพียงทำให้ตัวนำร้อน แต่ยังสร้างสนามแม่เหล็ก ต่อไปจะศึกษาผลของสนามนี้