Нагревание провода постоянным током; почему жарче всего в середине?

15

Я пропускаю постоянный ток через провод, чтобы нагреть его. Я бы подумал, что провод нагревается равномерно, но я обнаружил, что чем горячее я подхожу к середине, тем горячее или, соответственно, холоднее, ближе к зажимам. Кто-нибудь может объяснить это?

MikeCrump
источник
17
Разъемы проводов по бокам действуют как радиаторы?
Назар
1
Кроме того, высокий положительный TCR может усугубить эффект.
Dampmaskin
2
Опубликуйте изображение вашей установки и, возможно, добавьте правило или масштаб, чтобы мы могли оценить размеры.
Транзистор
1
Можете ли вы подтвердить, как ваше питание подается в цепь?
Энди ака

Ответы:

36

Происходит два эффекта. Эффект теплоотвода соединений и температурный коэффициент на проводе.

Изначально провод все при одинаковой температуре.

Вы включаете питание, и оно начинает нагреваться.

Нагревание определяется рассеиванием электрической энергии в проводе для любой заданной секции провода. Power = Current * Voltage. Все части провода будут иметь одинаковый ток. Для данной длины напряжение = ток * сопротивление дает мощность = ток в квадрате * сопротивление.

Изначально все провода имеют одинаковое сопротивление, поэтому нагрев происходит равномерно по всей длине провода.

Тепло течет от более горячего к объектам к более холодным (это первый закон термодинамики). В этом случае точки подключения более холодные, и поэтому тепловые потоки от концов провода к разъемам слегка охлаждают концы. Поскольку самые концы более холодные, кусочки проволоки рядом с ними охлаждают меньшее количество и так далее по всей длине проволоки. Это приводит к очень маленькому температурному градиенту поперек провода, причем середина немного теплее, чем концы.

Медь имеет положительный температурный коэффициент около 0,4 процента на градус С. Это означает, что чем теплее проволока, тем выше сопротивление.

Середина провода горячее, что означает, что его сопротивление увеличивается. Из приведенных выше уравнений это означает, что больше мощности рассеивается в середине провода, чем на концах.

Большая мощность означает больше нагрева в середине, чем на концах, и вы получите положительный эффект обратной связи. Середина более горячая, что означает, что она имеет более высокое сопротивление, и больше энергии рассеивается там, что означает, что она нагревается ...

Это продолжается до тех пор, пока почти вся мощность не рассеется в середине провода, и вы никогда не получите всю мощность в одной точке, потому что теплопроводность вдоль провода означает, что участки вблизи середины также имеют достаточно высокое сопротивление. В конце концов вы достигнете равновесия, когда теплопроводность распределяет энергию достаточно, чтобы сбалансировать эффект положительной обратной связи.

Лучший пример положительного температурного коэффициента - лампа накаливания старого образца. Если вы измеряете сопротивление в холодном состоянии, то оно будет на долю от значения, которое вы ожидаете получить для его номинальной мощности, они работают при температуре около 3000 градусов, и поэтому сопротивление холоду составляет примерно 1/10 от нормального рабочего сопротивления при включении. Они сделаны из вольфрама, а не меди, при таких температурах медь будет жидкостью, но тепловой коэффициент примерно одинаков.

Андрей
источник
Еще одно замечание - провод имеет низкое сопротивление, что означает, что общая мощность, рассеиваемая в проводе, как правило, не так высока, и поэтому эффект не так велик при нормальных токах. Если вы используете материал с более высоким электрическим и термическим сопротивлением (например, для этого хорошо подойдет провод от механического карандаша), вы сможете увидеть этот эффект, поскольку середина медленно нагревается до нескольких тысяч градусов и начинает светиться. Середина будет гореть / испаряться при этих температурах, еще больше увеличивая свое сопротивление и увеличивая эффект, пока не выйдет из строя.
Андрей
1
Я уверен, что вы уже знаете это, но для ясности механический карандаш "свинец" на самом деле графит, форма углерода. Свинец имеет низкое удельное сопротивление (следовательно, его используют в припое)
Стив Кокс
1
Обратите внимание, что ОП никогда не говорил, что использует медь (хотя это, вероятно, безопасная ставка). Также хорошим примером материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления является угольная лампа накаливания, подобная тем, которые использовались в самых первых лампочках.
Дэйв Твид
@ SteveCox: Да, но у металлического свинца (и припоя) удельное сопротивление меди примерно в 10 раз больше. Вот почему построение трассировки печатной платы с припоем для обработки больших токов менее эффективно, чем вы думаете ...
Дэйв Твид
2
@DaveTweed просто не хочет, чтобы кто-то случайно подключил лидерство «с более высоким сопротивлением» там, где они ожидали сопротивления графита
Стив Кокс
2

Тепло и температура - это две разные вещи. Равновесная температура возникает, когда тепловой поток в область равен тепловому потоку.

В вашем случае, как вы и предполагаете, тепловой поток на единицу длины провода (резистивный нагрев) практически постоянен. Однако тепловой поток - как по самой проволоке, так и к окружающему воздуху - варьируется, главным образом, из-за близости от того, к чему прикреплены концы проволоки, который действует как теплоотвод.

Дэйв Твид
источник