Riscaldare un filo con corrente continua; perché è più caldo nel mezzo?


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Sto mettendo corrente CC attraverso un filo per riscaldarlo. Penserei che il filo si surriscalderebbe in modo uniforme, ma ho scoperto che è più caldo quanto più mi avvicino al centro, o, rispettivamente, più freddo è il più vicino ai morsetti. Qualcuno può spiegare questo?


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I connettori dei fili sui lati fungono da dissipatori di calore?
Nazar,

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Inoltre, un TCR altamente positivo può esacerbare l'effetto.
Dampmaskin,

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Pubblica una foto della tua configurazione e magari inserisci una regola o una scala in modo da poter stimare le dimensioni.
Transistor

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Potete confermare come viene alimentata la potenza al circuito?
Andy aka

Risposte:


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Ci sono due effetti in corso. L'effetto di dissipazione del calore delle connessioni e il coefficiente di temperatura sul filo.

Inizialmente il filo è alla stessa temperatura.

Accendi l'alimentazione e inizia a riscaldarsi.

Il riscaldamento è determinato dalla dissipazione di energia elettrica nel filo, per ogni data sezione del filo Potenza = Corrente * Tensione. Tutte le parti del filo avranno la stessa corrente. Per una data lunghezza la tensione = corrente * resistenza dà potenza = corrente quadrata * resistenza.

Inizialmente tutto il filo ha la stessa resistenza e quindi il riscaldamento è uniforme lungo la lunghezza del filo.

Il calore scorre da più caldo agli oggetti a quelli più freddi (questa è la prima legge della termodinamica). In questo caso i punti di connessione sono più freddi e quindi il calore scorre dalle estremità del filo ai connettori raffreddando leggermente le estremità. Dato che le estremità sono più fredde, i frammenti di filo vicino a loro si raffreddano in misura minore e così via lungo la lunghezza del filo. Ciò si traduce in un gradiente di temperatura molto piccolo attraverso il filo con il centro leggermente più caldo delle estremità.

Il rame ha un coefficiente di temperatura positivo di circa lo 0,4 per cento per grado C. Ciò significa che più caldo è il filo maggiore è la resistenza.

Il centro del filo è più caldo, il che significa che la sua resistenza aumenta. Dalle equazioni precedenti questo significa che viene dissipata più potenza nel mezzo del filo che nelle estremità.

Più potenza significa più riscaldamento nel mezzo rispetto alle estremità e si ottiene un effetto di feedback positivo. Il centro è più caldo, il che significa che ha una resistenza più elevata e una maggiore potenza viene dissipata lì, il che significa che diventa più caldo ...

Questo continua fino a quando quasi tutta la potenza viene dissipata nel mezzo del filo, non si ottiene mai tutta la potenza in un unico punto perché la conduzione del calore lungo il filo significa che anche le sezioni vicino al centro hanno una resistenza ragionevolmente alta. Alla fine si raggiunge un equilibrio in cui la conducibilità termica diffonde l'energia sufficiente per bilanciare l'effetto di feedback positivo.

Il miglior esempio di coefficiente di temperatura positivo è una lampadina a incandescenza vecchio stile. Se si misura la resistenza a freddo sarà una frazione del valore che ci si aspetterebbe per la sua potenza nominale, funzionano a circa 3000 gradi e quindi la resistenza al freddo è circa 1/10 della normale resistenza operativa quando è attiva. Sono fatti di tungsteno non di rame, il rame sarebbe un liquido a quelle temperature, ma il coefficiente termico è circa lo stesso.


Un'altra nota: il filo ha una bassa resistenza, il che significa che la potenza totale dissipata in un filo non è generalmente così alta e quindi l'effetto non è così grande a correnti normali. Se usi un materiale con una maggiore resistenza elettrica e termica (ad esempio il piombo di una matita meccanica funziona bene per questo), allora puoi vedere visibilmente questo effetto mentre il centro si riscalda lentamente fino a qualche migliaio di gradi e inizia a brillare. Il mezzo brucia / evapora a quelle temperature aumentando ulteriormente la sua resistenza e aumentando l'effetto fino a quando fallisce.
Andrew,

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sono sicuro che lo sapete già, ma per chiarezza la matita meccanica "piombo" è in realtà la grafite, una forma di carbonio. il piombo ha una bassa resistività (quindi il suo uso in saldatura)
Steve Cox,

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Nota che l'OP non ha mai detto che stava usando il rame (anche se probabilmente è una scommessa sicura). Inoltre, un buon esempio di un materiale con un coefficiente di temperatura negativo di resistenza è un filamento di una lampada al carbonio, come quelli utilizzati nelle primissime lampadine.
Dave Tweed

@SteveCox: Sì, ma il piombo metallico (e la saldatura) ha ancora circa 10 volte la resistività del rame. Ecco perché costruire una traccia PCB con saldatura per gestire correnti più elevate è meno efficace di quanto si pensi ...
Dave Tweed

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@DaveTweed non vuole che qualcuno si colleghi accidentalmente al piombo "maggiore resistenza" dove si aspettava la resistenza della grafite
Steve Cox,

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Il calore e la temperatura sono due cose molto diverse. La temperatura di equilibrio si verifica quando il flusso di calore in una regione è uguale al flusso di calore in uscita.

Nel tuo caso, il flusso di calore per unità di lunghezza del filo (il riscaldamento resistivo) è essenzialmente costante, come supponi. Tuttavia, il flusso di calore in uscita, sia lungo il filo stesso che verso l'aria circostante, varia, principalmente a causa della vicinanza di qualsiasi estremità del filo collegata, che funge da dissipatore di calore.

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