Erhitzen eines Drahtes mit Gleichstrom; Warum ist es in der Mitte am heißesten?

Ich bringe Gleichstrom durch einen Draht, um ihn zu erhitzen. Ich würde denken, der Draht würde sich gleichmäßig erwärmen, aber ich habe festgestellt, dass er umso heißer ist, je näher ich der Mitte komme bzw. je kälter die Klemmen sind. Kann mir jemand das erklären?

temperature wire heat

— MikeCrump
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Kabelanschlüsse an den Seiten fungieren als Kühlkörper?

— Nazar

Auch ein hoher positiver TCR kann den Effekt verstärken.

— Dampmaskin

Veröffentlichen Sie ein Bild Ihres Aufbaus und fügen Sie möglicherweise eine Regel oder einen Maßstab hinzu, damit wir die Abmessungen schätzen können.

— Transistor

Können Sie bestätigen, wie Ihr Strom in den Stromkreis eingespeist wird?

— Andy aka

Es gibt zwei Effekte. Der Wärmeableitungseffekt der Anschlüsse und der Temperaturkoeffizient auf dem Draht.

Anfangs hat der Draht alle die gleiche Temperatur.

Sie schalten den Strom ein und es beginnt sich zu erwärmen.

Die Erwärmung wird durch die elektrische Verlustleistung im Draht für einen bestimmten Drahtabschnitt bestimmt. Leistung = Strom * Spannung. Alle Teile des Kabels haben den gleichen Strom. Für eine gegebene Länge ist die Spannung = Strom * Widerstand, was Leistung = Strom zum Quadrat * Widerstand ergibt.

Anfänglich hat jeder Draht den gleichen Widerstand und die Erwärmung verläuft gleichmäßig über die gesamte Länge des Drahtes.

Die Wärme fließt von heißeren zu kühleren Objekten (dies ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik). In diesem Fall sind die Verbindungspunkte kühler und daher fließt Wärme von den Enden des Drahtes zu den Verbindern, die die Enden leicht kühlen. Da die Enden kühler sind, kühlen die Drahtstücke in der Nähe eine geringere Menge ab und so weiter entlang der Länge des Drahtes. Dies führt zu einem sehr kleinen Temperaturgradienten über dem Draht, wobei die Mitte etwas wärmer als die Enden ist.

Kupfer hat einen positiven Temperaturkoeffizienten von etwa 0,4 Prozent pro Grad C. Dies bedeutet, dass der Widerstand umso höher ist, je wärmer der Draht ist.

Die Mitte des Drahtes ist heißer, was bedeutet, dass sich sein Widerstand erhöht. Nach den obigen Gleichungen bedeutet dies, dass mehr Energie in der Mitte des Drahtes als in den Enden abgeführt wird.

Mehr Leistung bedeutet mehr Erwärmung in der Mitte als in den Enden und Sie erhalten einen positiven Rückkopplungseffekt. Die Mitte ist heißer, was bedeutet, dass sie einen höheren Widerstand hat und mehr Leistung abgeführt wird, was bedeutet, dass sie heißer wird ...

Dies setzt sich fort, bis fast die gesamte Leistung in der Mitte des Kabels verbraucht ist. Sie erhalten nie die gesamte Leistung an einem einzigen Punkt, da die Wärmeleitung entlang des Kabels bedeutet, dass die Abschnitte in der Nähe der Mitte auch einen angemessen hohen Widerstand haben. Schließlich erreichen Sie ein Gleichgewicht, in dem die Wärmeleitfähigkeit die Energie so weit verteilt, dass der positive Rückkopplungseffekt ausgeglichen wird.

Das beste Beispiel für einen positiven Temperaturkoeffizienten ist eine herkömmliche Glühlampe. Wenn Sie den Widerstand im kalten Zustand messen, entspricht er nur einem Bruchteil des erwarteten Werts für die Nennleistung. Sie arbeiten bei etwa 3000 Grad, sodass der Kältewiderstand im eingeschalteten Zustand etwa 1/10 des normalen Betriebswiderstands beträgt. Sie bestehen aus Wolfram, nicht aus Kupfer. Kupfer wäre bei diesen Temperaturen eine Flüssigkeit, aber der Wärmekoeffizient ist ungefähr gleich.

— Andrew
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Eine weitere Anmerkung - Draht hat einen geringen Widerstand, was bedeutet, dass die in einem Draht verbrauchte Gesamtleistung im Allgemeinen nicht so hoch ist und der Effekt bei normalen Strömen nicht so groß ist. Wenn Sie ein Material mit einem höheren elektrischen und thermischen Widerstand verwenden (z. B. funktioniert die Mine eines Druckbleistifts gut), können Sie diesen Effekt sichtbar sehen, wenn sich die Mitte langsam auf einige tausend Grad erwärmt und anfängt zu glühen. Das Mittel wird bei diesen Temperaturen brennen / verdampfen, was seinen Widerstand weiter erhöht und den Effekt erhöht, bis es versagt.

— Andrew

Ich bin mir sicher, dass Sie das bereits wissen, aber der Übersichtlichkeit halber ist Druckbleistift "Blei" eigentlich Graphit, eine Form von Kohlenstoff. Blei hat einen niedrigen spezifischen Widerstand (daher seine Verwendung in Lot)

— Steve Cox

Beachten Sie, dass das OP nie gesagt hat, dass er Kupfer verwendet (obwohl es wahrscheinlich eine sichere Wette ist). Ein gutes Beispiel für ein Material mit einem negativen Temperaturwiderstandskoeffizienten ist auch eine Kohlenstofflampe, wie sie in den allerersten Glühlampen verwendet wird.

— Dave Tweed

@SteveCox: Ja, aber metallisches Blei (und Lot) hat immer noch ungefähr den 10-fachen spezifischen Widerstand von Kupfer. Aus diesem Grund ist es weniger effektiv, eine Leiterplatte mit Lot aufzubauen, um höhere Ströme zu verarbeiten, als Sie vielleicht denken ...

— Dave Tweed

@ DaveTweed wollen nur nicht, dass jemand versehentlich "höheren Widerstand" führen, wo sie den Widerstand von Graphit erwarteten

— Steve Cox

Hitze und Temperatur sind zwei sehr unterschiedliche Dinge. Die Gleichgewichtstemperatur tritt auf, wenn der Wärmestrom in einen Bereich gleich dem Wärmestrom aus ist.

In Ihrem Fall ist der Wärmefluss pro Einheit der Drahtlänge (Widerstandsheizung) im Wesentlichen konstant, wie Sie vermuten. Der Wärmeabfluss - sowohl entlang des Kabels selbst als auch zur Umgebungsluft - variiert jedoch hauptsächlich aufgrund der Nähe der Enden des Kabels, an denen sich der Kühlkörper befindet.

— Dave Tweed
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