為什麼在相同條件下,電流越大,導線越容易發熱?

黃公公0771


為什麼流過導線的電流越大,導線越容易發熱?我們知道,任何導線都或多或少的存在著一定的電阻(導線越長或越細其電阻就越大),每一段導線都可以視為一個電阻,電流流過這個導線電阻,便會在其上產生一定的壓降,這樣導線便會發熱。我們來看下面的電路。


▲ 電磁爐及其電源線等效電路。

上圖中的負載RL是一個功率為2200W的電磁爐,假定其工作電流為10A,導線ab和cd分別為電磁爐的兩根電源線(零線和火線)。這樣電磁爐工作時,流過ab導線和cd導線的電流皆為10A。這裡假定該電磁爐用的導線是劣質的銅包鋁導線,ab導線和cd導線皆存在著0.3Ω的導線電阻,這樣過10A電流時,導線ab和cd上的壓降皆為3V,功率皆為30W,也就是說,此時電磁爐的兩根導線相當於兩個30W的電阻,所以導線會發熱。假設流過這兩根導線的電流降至1A,那麼它們的功率也就只有0.3W,導線幾乎沒什麼溫升。
▲ 電熱水壺的電源線。

上圖為電熱水壺的電源線,由於電熱水壺的功率大的可達1800W,其工作電流較大,為了降低電源線的發熱量,不少電水壺的電源線都做的較短,這樣在線徑不變的情況下,電源線的電阻便可以降低,從而減小電源線的發熱量。


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物理現象中,金屬導線都存在著電阻值R,在電壓U的作用下產生電流I,電流I產生電功率P,功率的形成又產生焦耳熱Q,在相同的條件下,導線中的電流越大產生的電功率P越大,發熱量也越大。導線中電流作用的時間T越長,產生的焦耳熱值Q也越高。因此,電流越大導線越容易發熱。

      公   式: Q=TxI²xR=TxP    P=I²xR  

         公式中: Q焦耳熱值,T時間,電流I,

                     電阻R, 功率P




在生活中應該會遇到過,有些大功率電器有時它的電源線載流面積選用過小,這根電線發熱就嚴重,甚至燒壞。相同條件下,電流越大導線越容易發熱。導線是導體,電流流過導體時產生熱量,這就是電流的熱效應。在生活中有些電器應用了電流熱效應,例如用的電爐、電飯鍋、電烤箱,甚至焊接電子元器件的電烙鐵等常見的電器都是應用了電流熱效應。

焦耳定律是一個實驗定律,是英國科學家焦耳於1841發現的。焦耳定律;電流通過的導體所產生的熱量和導體的電阻成正比,與通過導體的電流的平方成正比,與導體的通電時間成正比。這條實驗定律對任何導體來說都適用,範圍挺廣,而且所有的電路也都適用。焦耳定律的普通公式;Q=I^2.R.t,在純電阻電路中,Q=UIt=U^2.t/R=Pt。




根據題目說的相同條件下,是導線的R一定,導線通電時間一定,因此根據焦耳定律可知,在同時間且電阻不變的情況下,通過導線的電流越大,導線產生的熱效應越明顯,導線發熱就越嚴重。如開頭說的電爐、電飯鍋、電烙鐵這些常見的電器屬於純電阻,因此電流在導體所做的功將電能全部轉化為熱能。


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導線一旦連接,電阻值就確定了,當導通過電流時,導線要消耗功率,導線消耗功率是I^2*R。就是導線的電阻乘以電流的平方。導線消耗的功率變為熱能散發。隨著電流增大急劇發熱。所以導線散熱條件決定導線最大允許電流,散熱條件好允許電流大,如架空線。導線散熱條件不好允許電流就小。如埋入牆內的導線。另外導線的材料也影響導線允許電流,鋁的熔點低,允許電流就比銅線低。導線發熱是無法避免的,選取導線直徑要慎重,在經濟條件允許時,選擇合理導線線徑。導線直徑選取過大,造成浪費,選取過小,導線發熱嚴重,尤其是接頭處,多次發熱會造成接頭氧化,電阻增大,電阻增大,發熱更厲害,接頭氧化加劇,這樣惡性循環,造成接頭髮紅融化,失火。很多電氣火災都是由於接頭氧化而引起的。所以要重視導線線徑的選擇。


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這個問題是個理論問題,作為常識我們都知道當電路發生短路時,導線會產生大電流,同時會使導線發熱,電氣火災,大都是由於這個原因引起,但為什麼大電流會讓導線發熱呢?

焦耳定律。

焦耳定律是這樣的:熱量=電流²×電阻×時間

所以電流越大產生的熱量也就越大

所以,在電路敷設時,必須要在總開關處加裝保護裝置,一旦線路中的電流超過允許值,保護裝置就會切斷線路的電源,從而起到保護線路,避免火災的作用。


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中學物理老師說過,線徑相同情況下,由於電流實際就是電子流動,電流越大,電子數量就越多,通過的電子數量越多,就越容易出現電子聚集擁堵的情況。當擁堵到一定程度,電子之間就會出現相互磨擦和碰撞的情況,就會發熱。

如同,一個通道有一些人通過,人少自然沒問題,當人達到一定數量,通過就會擁堵,人與人之間就會磨擦或碰撞,人就會覺得比平時熱,通道內的溫度也會上升。

道理是一樣的。


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摩擦和碰撞產生阻力,運動物質克服阻力做功消耗的一部分動能會轉化為熱能的形式(能量的傳遞),所以,任何產生阻力的地方都會發熱,譬如瀑布撞擊河床;高山流水;輪胎摩擦地面;轉動中的軸承等等,發熱量與撞擊程度或運動量成正比。

導線中電子在電勢能的作用下形成定向的電子流,電子在運動中會產生碰撞,這種碰撞形成的阻力我們稱它為電阻,電阻消耗了一定的勢能會轉化為熱能,電阻越大或電子流越稠密,產生的熱量自然也就越大。為了降低熱損耗,在一定電阻率特性的條件下,可用增加導線截面積的辦法以降低電子流的流通密度。


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電導是自由電子在導體中的運行,由於電流大時,自由電子的數量多,相互擁擠,碰撞,磨擦而產生了熱量!要減少這種發熱現象,只有加寬電子的運行路經。也就是說要加大電線的平方面積,也就是加大電線的直徑!


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因為導線是有一定電阻的,忽略溫度對導線電阻值的影響,假設導線電阻為2歐姆在負載電流為2a的時候導線消耗的功率為P=2*2*2=8W,在負載電流為20A的時候導線電阻消耗的功率P=20*20*2=800W,這也是為什麼長距離輸電採用超高壓輸電特高壓輸電的原因。


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那100w是負載的功率,是說負載兩端在50V2A或者5V20A時的功率,如果忽略導線損耗則負載消耗功率等於電源提供的功率,如果考慮導線損耗則電源提供的功率等於導線損耗與負載實際功率之和。由於導線損耗的存在,電源提供的電壓不能全部施加在負載上,一部分落在了導線上,分擔了多少是由電阻來決定的,與這個100w標稱規格沒有直接對等關係。導線的發熱就是導線消耗的功率,它的大小是依據歐姆定律來計算的,當導線粗細和長度一定時其電阻就基本確定了,它損耗的功率P=V*I=I^2*R(由歐姆定律I=V/R代換),即損耗功率P等於電流I的平方乘以電阻R,可見損耗是按電流值的幾何平方増加。


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