Тепловое действие тока и безопасность

Один прибор работает, а после подключения нескольких тот же провод сильно нагревается. Почему ток влияет на выделяемую энергию сильнее, чем можно ожидать по простому удвоению?

Поле совершает работу над движущимися зарядами, а те взаимодействуют с веществом проводника и передают ему энергию. В резистивном участке электрическая энергия превращается во внутреннюю — происходит джоулев нагрев. Выделенную энергию Q измеряют в джоулях. Она может остаться в проводнике или уйти в окружение. Поэтому нагревательный элемент способен непрерывно выделять энергию даже тогда, когда его температура уже перестала расти.

У резистора электрическая мощность UI превращается в нагрев. Подставим U = IR: за время t получается закон Джоуля–Ленца Q = I²Rt при постоянных I и R. Единицы А²·Ом·с дают Дж. Квадрат появился потому, что при том же R увеличение тока требует ещё и большего напряжения. При нулевом токе джоулев вклад равен нулю; вдвое большее время даёт вдвое больше энергии. Q — энергия, а не число градусов.

Удвоим ток в одном проводе, сохранив его сопротивление и время. В формуле возникает (2I)² = 4I²: выделяется вчетверо больше энергии. Поэтому увеличение нагрузки общей проводки может быстро усилить нагрев. Важно сохранять условия сравнения: при постоянном токе больший R даёт больше Q, а при постоянном напряжении ток сам меняется и Q = U²t/R. Нельзя сравнивать сопротивления, не уточнив, что поддерживает источник.

Означает ли четырёхкратное Q четырёхкратную температуру? Нет: температура имеет начальное значение, а её изменение зависит от массы и теплоёмкости. В идеализированном теплоизолированном проводнике без перехода состояния ΔT = Q/(cm). Реальная проволока одновременно отдаёт энергию воздуху и опорам; при равенстве выделения и потерь температура может стать постоянной. Если R меняется при нагревании, использовать одно постоянное R на всём интервале тоже нельзя.

При коротком замыкании между точками цепи, находящимися под напряжением относительно друг друга появляется непредусмотренный путь очень малого сопротивления, например в обход потребителя. Общий ток резко возрастает; бесконечным его не делают реальные сопротивления источника, контактов и проводов. Эти части выделяют энергию и могут перегреться. Поэтому небольшое сопротивление замыкающего пути не означает отсутствия опасного нагрева во всей цепи: при этом сильно изменился ток.

Предохранитель или автомат выбирают в соответствии с допустимым током проводки. При чрезмерном токе он разрывает цепь, ограничивая время выделения энергии и снижая риск перегрева. Но ток, опасный для человека, может быть меньше тока срабатывания такого устройства. Поэтому обычный автомат прежде всего защищает проводку, а его наличие не гарантирует защиту человека при прикосновении. Самостоятельно менять номинал ради того, чтобы он «не отключался», нельзя.

Повреждённая изоляция может открыть путь току через человека, а влажные руки часто уменьшают сопротивление контакта. Поэтому не касайся открытых проводов, повреждённых приборов и электроприборов мокрыми руками. Обнаружив повреждение, прекрати использование и сообщи взрослому. Для школьного опыта используют предназначенный низковольтный источник и проверенную схему. Знание формулы нагрева помогает объяснить правила, но не превращает опасный контакт в допустимый опыт.

Защиты выполняют разные задачи. Изоляция мешает прикоснуться к проводнику. Защитное заземление создаёт предусмотренный путь аварийного тока и помогает отключению при повреждении. Устройство защитного отключения обнаруживает различие уходящего и возвращающегося тока, которое может означать утечку. Эти меры снижают определённые риски, но не дают разрешения трогать токоведущие части. Их исправность и применение проверяют специалисты.

Через резистор 5 Ом идёт постоянный ток 2 А в течение 60 с. Найдите выделенную энергию.

Требуется выделенная энергия резистора, ток и сопротивление постоянны. Применяем Q = I²Rt.

Квадрат относится к току: 2² = 4. Поэтому Q = 4·5·60 = 1200 Дж. Мощность выделения равна 20 Вт, и за 60 с она даёт те же 1200 Дж.

Это не ответ о температуре. Для неё надо знать массу, теплоёмкость, начальную температуру и обмен энергией с окружением.

1200 Дж. За каждую секунду выделялось 20 Дж; часть этой энергии могла передаваться окружающим телам.

Q = I²Rt объясняет квадратичный рост выделенной энергии при увеличении тока и прежних R, t.

Температуру определяет также накопление и отвод энергии; короткое замыкание меняет ток во всей реальной цепи.

Разные защитные устройства решают разные задачи, а прикосновение к токоведущим частям остаётся недопустимым.

Ток не только нагревает проводник: он создаёт магнитное поле. Изучим его действие.