خطرات حرارتی الکتریسیته در شوک الکتریکی

خطرات حرارتی الکتریسیته در شوک الکتریکی:
هرگاه انرژی الکتریکی با سرعتی بیش از آنچه که به صورت ایمن تلف می شود، به انرژی گرمایی تبدیل شود، منجر به اثرات گرمایشی نامطلوب خواهد شد.

یک مثال کلاسیک از این مورد، «اتصال کوتاه» (Short Circuit) است که در آن، یک مسیر با مقاومت کم بین پایانه های منبع ولتاژ ایجاد می شود.

نمونه ای از اتصال کوتاه در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل، عایق روی سیم های منتهی به یک وسیله الکتریکی از بین رفته است و موجب شده که این دو سیم با هم تماس پیدا کنند.

چنین تماس ناخواسته ای با ولتاژ بالا یک اتصال کوتاه نامیده می شود. از آنجا که مقاومت اتصال کوتاه، یعنیr، بسیار اندک است، توان تلف شده در اتصال کوتاه، یعنیP=V2/r، بسیار بزرگ خواهد بود.

به عنوان مثال، اگرVبرابر با 120 ولت وrبرابر با 0.1 اهم باشد، توان 144 کیلووات خواهد شد که بسیار بیشتر از توان مصرفی یک وسیله خانگی معمولی است.

انرژی حرارتی که با این سرعت تحویل داده می شود، خیلی سریع دمای مواد اطراف خود را بالا می برد و آن ها را ذوب می کند یا احتمالاً آتش می زند.

شکل 1: اتصال کوتاه یک مسیر ناخواسته با مقاومت کم در یک منبع ولتاژ است. (الف) ذوب شدن عایق روی سیم های یک توستر موجب می شود آن ها با مقاومت کم r با هم اتصال کنند. از آنجا کهP=V2/r است، توان حرارتی چنان سریع ایجاد می شود که سیم ذوب شده یا می سوزد. (ب) طرحواره ای از اتصال کوتاه.

یکی از جنبه های منفی اتصال کوتاه این است که در واقع مقاومت آن ممکن است به دلیل افزایش دما کاهش یابد. اگر اتصال کوتاه باعث یونیزاسیون شود، این اتفاق رخ می دهد. اتم ها و مولکول های باردار حرکت آزادانه دارند و بنابراین مقاومتrرا پایین می آورند.

از آنجا کهP=V2/r، توان در مدت کوتاه تلف می شود، احتمالاً باعث یونیزاسیون بیشتر، توان بیشتر و… می شود.

ولتاژهای بالا، مانند 480 ولت AC که در برخی از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد، خود در معرض این خطر قرار دارند، زیرا ولتاژهای بالاتر توان اولیه بالاتری را در کوتاه مدت ایجاد می کنند.

یکی دیگر از مواردی که به خطر گرمایی می انجامد، هنگامی است که جریان بسیار بزرگی از سیم های متصل کننده بین تأمین کننده برق و مصرف کننده عبور می کند.

همان طور که پیش تر گفتیم، توان تلف شده در سیم های قسمت تأمین کنندهP=I2RWاست که در آن، RW
مقاومت سیم ها و I جریان گذرنده از آن ها است. اگرIیاRW خیلی بزرگ باشند، سیم ها بیش از حد گرم می شوند.

به عنوان مثال، سیم یک دستگاه فرسوده (با برخی از سیم های در هم تنیده شکسته) ممکن است به جای آنکه 0٫1 اهم باشد، مقاومتی برابر با 2 اهم از خود نشان دهد و اگر 10 آمپر جریان از طناب عبور کند، توانP=I2RW=200 W در سیم تلف می شود که بسیار بیشتر از مقدار امن آن است.

به طور مشابه، اگر سیم با مقاومت 0٫1 اهمی که باید چند آمپر از آن بگذرد، متحمل جریانی به اندازه مثلاً 100 آمپر شود، به شدت گرم خواهد شد. توان تلف شده در سیم در این حالتP=1000W خواهد بود.

فیوزها و قطع کننده های مدار برای محدود کردن اضافه جریان استفاده می شوند (شکل 2 و شکل 3 را ببینید).

شکل 2: (الف) فیوز دارای نوار فلزی با نقطه ذوب پایین است که در صورت بیش از حد گرم شدن ناشی از اضافه جریان، اتصال مدار را به منبع ولتاژ به طور دائم قطع می کند.

(ب) قطع کننده مدار یا مدارشکن یک سوئیچ برقی خودکار اما قابل بازیابی است. موردی که در اینجا نشان داده شده، دارای نوار دوفلزی یا بی متال است که در صورت بیش از حد گرم شدن به سمت راست خم می شود.

سپس فنر نوار فلزی را به سمت پایین جابه جا می کند و اتصال الکتریکی را در نقاط قطع خواهد کرد.
وقتی جریان بیش از حدی از مدار بگذرد، هریک از این قطعات به صورت خودکار مدار باز می کنند.

ساخت فیوزها و مداشکن ها برای ولتاژها و جریان های خانگی معمولی نسبتاً ساده است، اما برای ولتاژها و جریان های بزرگ مسائل خاصی وجود دارد که باید آن ها را در نظر گرفت.

به عنوان مثال، هنگامی که یک مدارشکن در حال قطع جریان برق ولتاژ بالا باشد، ممکن است یک جرقه به وجود بیاید و به اطراف نفوذ کند که موجب یونیزه شدن هوا شود و امکان تداوم برقراری جریان را ایجاد فراهم آورد.

شکل 3: شماتیک مدار با فیوز یا قطع کننده مدار در آن. فیوزها و قطع کننده های مدار مانند سوئیچ های اتوماتیک عمل می کنند که وقتی جریان بیش از حدِ قابل قبول باشد باز می شوند

مدارشکن های بزرگ موجود در سیستم های توزیع برق از گاز عایق استفاده می کنند و حتی از جت های گاز برای منفجر کردن چنین جرقه هایی بهره می برند.

در اینجا برق AC از DC مطمئن تر است، زیرا جریان متناوب 120 بار در هر ثانیه صفر می شود و فرصتی سریع برای اطفاء این قوس ها فراهم می کند.