Ogrzewanie drutu prądem stałym; dlaczego jest najgorętszy w środku?

Przepuszczam prąd stały przez drut, aby go podgrzać. Wydawało mi się, że drut nagrzałby się równomiernie, ale stwierdziłem, że im jest cieplej, im bardziej zbliżam się do środka, lub, odpowiednio, zimniej, im bliżej zacisków. Czy ktoś może to wyjaśnić?

Działają dwa efekty. Efekt pochłaniania ciepła przez połączenia i współczynnik temperaturowy na przewodzie.

Początkowo drut ma tę samą temperaturę.

Włączasz zasilanie i zaczyna się nagrzewać.

Ogrzewanie zależy od rozproszenia energii elektrycznej w przewodzie, dla dowolnego odcinka przewodu Moc = prąd * napięcie. Wszystkie części drutu będą miały ten sam prąd. Dla danej długości napięcie = prąd * rezystancja dająca moc = prąd kwadratowy * rezystancja.

Początkowo cały drut ma taki sam opór, więc ogrzewanie jest równomierne na całej długości drutu.

Ciepło przepływa z cieplejszych obiektów do chłodniejszych (jest to pierwsza zasada termodynamiki). W tym przypadku punkty połączeń są chłodniejsze, więc ciepło przepływa z końców drutu do złączy lekko chłodzących końce. Ponieważ same końce są chłodniejsze, kawałki drutu w ich pobliżu chłodzą następnie mniejszą ilość i tak dalej wzdłuż długości drutu. Powoduje to bardzo mały gradient temperatury w poprzek drutu, przy czym środek jest nieco cieplejszy niż końce.

Miedź ma dodatni współczynnik temperaturowy około 0,4 procent na stopień C. Oznacza to, że im cieplejszy drut, tym wyższy opór.

Środek drutu jest cieplejszy, co oznacza wzrost jego rezystancji. Z powyższych równań oznacza to, że większa moc jest rozpraszana na środku drutu niż na końcach.

Większa moc oznacza więcej ogrzewania w środku niż na końcach, a otrzymasz pozytywny efekt sprzężenia zwrotnego. Środek jest cieplejszy, co oznacza, że ​​ma wyższy opór, a więcej mocy jest tam rozpraszane, co oznacza, że ​​robi się cieplej ...

Trwa to, dopóki prawie cała moc nie zostanie rozproszona na środku drutu, nigdy nie uzyskasz całej mocy w jednym punkcie, ponieważ przewodzenie ciepła wzdłuż drutu oznacza, że ​​sekcje w pobliżu środka mają również dość wysoką rezystancję. W końcu osiągasz równowagę, w której przewodność cieplna rozprowadza energię wystarczającą do zrównoważenia efektu pozytywnego sprzężenia zwrotnego.

Najlepszym przykładem dodatniego współczynnika temperatury jest żarówka w starym stylu. Jeśli zmierzysz opór w stanie zimnym, będzie to ułamek wartości, której można oczekiwać od jego mocy znamionowej, będą działać przy około 3000 stopni, więc opór na zimno wynosi około 1/10 normalnego oporu roboczego, gdy jest włączony. Są wykonane z wolframu, a nie miedzi, w tych temperaturach miedź byłaby cieczą, ale współczynnik termiczny jest mniej więcej taki sam.

Ciepło i temperatura to dwie bardzo różne rzeczy. Temperatura równowagi występuje, gdy przepływ ciepła do obszaru jest równy wypływowi ciepła.

W twoim przypadku przepływ ciepła na jednostkę długości drutu (ogrzewanie rezystancyjne) jest zasadniczo stały, jak można się domyślać. Jednak wypływ ciepła - zarówno wzdłuż samego drutu, jak i otaczającego powietrza - zmienia się, głównie ze względu na bliskość jakichkolwiek końców drutu, które są przymocowane, co działa jak radiator.