Ток, протекающий в любом проводнике, вызывает его нагрев. Собственно, это и есть основное воздействие тока на проводящую среду. Двигаясь между узлами кристаллической решетки, электроны беспрестанно испытывают столкновения.
Из-за этого амплитуда тепловых колебаний атомов металла увеличивается, а скорость движения электронов и величина электрического тока не такая большая, как это могло бы быть теоретически.
Электроны «толкают» атомы – атомы колеблются сильнее. Раз увеличивается интенсивность колебаний, то столкновения происходят еще. Это приводит к еще большему нагреву. Интенсивность и частота столкновений электронов с атомами определяет электрическое сопротивление проводника, а следовательно, и величину тепловых потерь.
Можно предположить, что тепловые потери – явление однозначно отрицательное. Выделяемое тепло снижает коэффициент полезного действия сети, может повредить провода и изоляцию, вызвать возгорание и пожар.
Но на самом деле «электрическое тепло» может быть и очень полезным. Так, в традиционной электрической лампе накаливания именно перегрев спиральной нити вызывает свечение. Поэтому нить выбирается настолько тонкого сечения, чтобы оказывать достаточное сопротивление току, греться, но не перегорать.
При этом, правда, используются и некоторые технологические хитрости, такие как, например, специальный материал нити – тугоплавкий вольфрам, но сути дела это не меняет.
Условно полезным можно считать и выделение тепла при прохождении тока через проводник предохранителя или плавкой ставки. Если бы не это тепло – вставка или предохранитель не могли бы сработать и защитить цепь.
И, уж конечно, никому не нужно долго объяснять, насколько полезным является тепло, выделяемое проводниками в нагревательных элементах электрических плит и электрообогревателей.
Итак, очевидно, что тепловые потери во многих случаях можно было бы назвать и «тепловыми приобретениями». Есть и физический закон, позволяющий теоретически обосновать и рассчитать, на какие же именно «приобретения» мы можем рассчитывать в данной конкретной сети.
Закон этот открыли и исследовали независимо друг от друга два ученых в конце XIX века – Джеймс Джоуль и Эмиль Ленц. Они выяснили, что мощность тепловых потерь в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля и плотности электрического тока:
w=j*E
Здесь можно вспомнить закон Ома в дифференциальной форме и записать:
w=σ*E2
Это дифференциальная форма записи закона Джоуля-Ленца для тепловых потерь. Интереснее, конечно, интегральная форма, позволяющая рассчитать точное количество тепла, выделяемого проводником с током. После интегрирования по времени получаем закон Джоуля-Ленца в такой форме:
Q=I²*R*t
То есть, тепла выделится тем больше, чем больше в цепи электрический ток и выше сопротивление проводника. Ну и, разумеется, имеет значение время, в течение которого в этом проводнике протекает ток.
Очень важно то, что зависимость количества теплоты от тока – квадратичная, а от других параметров – прямо пропорциональная. Это означает, что даже при небольшом увеличении тока в цепи нагрев проводников существенно возрастает.
Изменение электрического сопротивления в большую сторону такого эффекта не дает, потому что при этом снижается электрический ток. Именно поэтому мгновенный перегрев проводов возникает при коротком замыкании и стремительном снижении сопротивления, а не при обрыве и устремлении сопротивления к бесконечности.