Калькулятор теплоты в проводнике

Закон Джоуля–Ленца

Когда через проводник идёт ток, часть энергии источника необратимо переходит в тепло: электроны разгоняются полем и рассеивают энергию при столкновениях с узлами кристаллической решётки, отчего проводник нагревается. Количественно это описывает закон Джоуля–Ленца, установленный независимо Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем в 1840-х годах: выделившаяся теплота пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению и времени. Ключевая деталь — именно квадрат тока: удвоение тока даёт вчетверо больше тепла, поэтому перегрузка по току опаснее, чем кажется на первый взгляд.

Этот нагрев бывает и полезным, и вредным. На нём построены электрические обогреватели, кипятильники, утюги, паяльники, лампы накаливания, тэны бойлеров и плавкие вставки предохранителей — там сопротивление подбирают специально высоким. В проводке и линиях электропередачи то же самое тепло — чистые потери: оно греет кабель, состаривает изоляцию и в пределе вызывает пожар, поэтому сечение провода и номинал автомата выбирают так, чтобы тепловыделение оставалось безопасным. По той же причине потери в дальних линиях снижают, повышая напряжение: при той же передаваемой мощности ток падает, а вместе с ним квадратично падают и потери.

Расчёт даёт выделенную энергию, а не конечную температуру: насколько реально нагреется проводник, зависит ещё от его массы, теплоёмкости и условий охлаждения. Стоит помнить и о нюансах: сопротивление металлов растёт с нагревом (у меди примерно на 0,4% на каждый градус), а на переменном токе из-за скин-эффекта работает не всё сечение провода, так что действующее сопротивление выше справочного постоянному току. Калькулятор считает теплоту по силе тока, сопротивлению и времени, попутно показывая мощность нагрева и падение напряжения на участке.