Коротко — потому что нагрев определяется тепловой мощностью Джоуля, которая пропорциональна сопротивлению проводника, а сопротивление зависит от удельного сопротивления материала.
Основные формулы:
- сопротивление проводника длины $L$ и сечения $A$:
$$R=\frac{\rho L}{A},$$ где $\rho$ — удельное сопротивление материала;
- мощность тепла при токе $I$:
$$P=I^{2}R=I^2\frac{\rho L}{A}.$$ Для двух проводников одинаковых $L$ и $A$ отношение их теплопотерь равно отношению удельных сопротивлений:
$$\frac{P_1}{P_2}=\frac{{\rho }_1}{{\rho }_2}.$$
Пример (приближённо): для сечения $A=1{\text{mm}}^2$, длины $L=10\text{м}$ и тока $I=10\text{А}$:
- для меди ${\rho }_{\text{Cu}}\approx 1.68\cdot 10^{-8}\Omega \cdot \text{м}$: $R\approx 0.168\Omega ,P\approx 16.8\text{Вт}$;
- для алюминия ${\rho }_{\text{Al}}\approx 2.82\cdot 10^{-8}\Omega \cdot \text{м}$: $R\approx 0.282\Omega ,P\approx 28.2\text{Вт}$.
Алюминий в этом случае даёт примерно в $1.68$ раза большие потери.
Ещё факторы, влияющие на нагрев:
- температурная зависимость сопротивления: $\rho (T)={\rho }_0[1+\alpha (T-T_0)]$ (для меди $\alpha \approx 3.9\cdot 10^{-3}{\text{°C}}^{-1}$); при нагреве $R$ растёт, увеличивая потери;
- теплообмен с окружающей средой (конвекция, излучение), тепёмкость и механика проводника;
- контактные переходные сопротивления в зажимах — частая причина локального перегрева;
- для высоких частот учитывается скин-эффект (в бытовой сети 50–60 Гц обычно несущественен).
Как выбирать материал и минимизировать потери в бытовой проводке:
- по минимальным потерям — выбирать материал с наименьшей $\rho$ (медь предпочтительнее алюминия);
- при использовании алюминия увеличивать сечение так, чтобы компенсировать большее $\rho$ (обычно ~1.6–1.7× по площади в сравнении с медью);
- выбирать сечение проводников согласно току и нормам (R снижается пропорционально $1/A$: чем больше сечение, тем меньше потери);
- обеспечить качественные, плотные контакты и защиту от коррозии (особенно важно для алюминия);
- минимизировать длину проводки, избегать лишних соединений;
- соблюдать электробезопасные нормы и типоразмеры автоматов/предохранителей.
Вывод: при прочих равных материала с меньшим удельным сопротивлением (обычно медь) нагреваются меньше; для минимальных потерь в быту выбирают медь или — при применении алюминия — увеличивают его сечение и уделяют внимание качеству соединений.