Memanaskan kawat dengan arus DC; mengapa itu terpanas di tengah?

15

Saya menempatkan arus DC melalui kabel untuk memanaskannya. Saya akan berpikir kawat akan memanas secara merata tetapi saya telah menemukan bahwa itu lebih panas semakin dekat saya ke tengah, atau, masing-masing, lebih dingin semakin dekat ke klem. Adakah yang bisa menjelaskan ini?

temperature wire heat MikeCrump
sumber
17
Konektor kawat di samping berfungsi sebagai pendingin?
Nazar
1
Juga, TCR positif yang tinggi dapat memperburuk efeknya.
Dampmaskin
2
Kirimkan gambar pengaturan Anda dan mungkin masukkan aturan atau skala sehingga kami dapat memperkirakan dimensi.
Transistor
1
Bisakah Anda mengkonfirmasi bagaimana daya Anda diumpankan ke sirkuit?
Andy alias

Jawaban:

36

Ada dua efek yang terjadi. Efek heat sinking dari koneksi dan koefisien suhu pada kawat.

Awalnya kawat semuanya pada suhu yang sama.

Anda menyalakan daya dan mulai memanas.

Pemanasan ditentukan oleh disipasi daya listrik di kawat, untuk setiap bagian tertentu dari kawat Daya = Arus * Tegangan. Semua bagian dari kawat akan memiliki arus yang sama. Untuk panjang tertentu, Tegangan = Arus * Perlawanan memberikan Daya = Arus kuadrat * Perlawanan.

Awalnya semua kawat memiliki resistansi yang sama sehingga pemanasan bahkan sepanjang kawat.

Panas mengalir dari yang lebih panas ke benda yang lebih dingin (ini adalah hukum termodinamika pertama). Dalam hal ini titik koneksi lebih dingin sehingga panas mengalir dari ujung kawat ke konektor sedikit mendinginkan ujungnya. Karena ujung-ujungnya lebih dingin, potongan-potongan kawat di dekat mereka kemudian mendinginkan jumlah yang lebih kecil dan seterusnya sepanjang kawat. Ini menghasilkan gradien suhu yang sangat kecil pada kawat dengan bagian tengah sedikit lebih hangat dari ujungnya.

Tembaga memiliki koefisien suhu positif sekitar 0,4 persen per derajat C. Ini berarti bahwa semakin hangat kawat, semakin tinggi resistansi.

Bagian tengah kawat lebih panas yang berarti daya tahannya meningkat. Dari persamaan di atas ini berarti lebih banyak daya yang hilang di tengah-tengah kabel daripada di ujungnya.

Lebih banyak kekuatan berarti lebih banyak pemanasan di bagian tengah dari pada ujungnya dan Anda mendapatkan efek umpan balik positif. Bagian tengahnya lebih panas yang berarti memiliki daya tahan yang lebih tinggi dan lebih banyak daya yang dihamburkan ke sana yang berarti ...

Ini berlanjut sampai hampir semua daya hilang di tengah-tengah kawat, Anda tidak pernah mendapatkan semua daya dalam satu titik karena konduksi panas di sepanjang kawat berarti bahwa bagian dekat tengah juga memiliki resistansi yang cukup tinggi. Akhirnya Anda mencapai keseimbangan di mana konduktivitas termal menyebarkan energi cukup untuk menyeimbangkan efek umpan balik positif.

Contoh terbaik dari koefisien suhu positif adalah bola lampu pijar gaya lama. Jika Anda mengukur resistansi ketika dingin itu akan menjadi sebagian kecil dari nilai yang Anda harapkan untuk peringkat kekuatannya, mereka beroperasi di sekitar 3000 derajat dan jadi resistansi dingin sekitar 1/10 dari resistansi operasi normal saat dinyalakan. Mereka terbuat dari tungsten bukan tembaga, tembaga akan menjadi cairan pada suhu tersebut, tetapi koefisien termal hampir sama.

Andrew
sumber
Satu catatan lain - Kawat memiliki resistansi rendah yang berarti daya total yang dihamburkan dalam kawat umumnya tidak setinggi itu sehingga pengaruhnya tidak sebesar itu pada arus normal. Jika Anda menggunakan bahan dengan hambatan listrik dan termal yang lebih tinggi (mis. Timah dari pensil mekanik berfungsi baik untuk ini) maka Anda dapat melihat efek ini ketika bagian tengah perlahan memanas hingga beberapa ribu derajat dan mulai bersinar. Bagian tengah akan terbakar / menguap pada suhu tersebut lebih lanjut meningkatkan resistensi dan meningkatkan efeknya sampai gagal.
Andrew
1
Saya yakin Anda sudah mengetahui hal ini, tetapi demi kejelasan, pensil mekanik "timah" sebenarnya adalah grafit, suatu bentuk karbon. timbal memiliki resistivitas rendah (karenanya digunakan dalam solder)
Steve Cox
1
Perhatikan bahwa OP tidak pernah mengatakan bahwa dia menggunakan tembaga (meskipun itu mungkin taruhan yang aman). Juga, contoh yang baik dari bahan dengan koefisien resistensi suhu negatif adalah filamen lampu karbon, seperti yang digunakan pada lampu pertama.
Dave Tweed
@SteveCox: Ya, tapi timah logam (dan solder) masih memiliki sekitar 10x resistivitas tembaga. Itulah sebabnya membangun jejak PCB dengan solder untuk menangani arus yang lebih tinggi kurang efektif daripada yang Anda kira ...
Dave Tweed
2
@DaveTweed hanya tidak ingin seseorang secara tidak sengaja menghubungkan "resistensi yang lebih tinggi" memimpin di mana mereka mengharapkan resistensi dari grafit
Steve Cox
2

Panas dan suhu adalah dua hal yang sangat berbeda. Suhu kesetimbangan terjadi ketika aliran panas ke suatu daerah sama dengan aliran panas keluar.

Dalam kasus Anda, aliran panas per satuan panjang kawat (pemanasan resistif) pada dasarnya konstan, saat Anda menduga. Namun, panas yang mengalir keluar - baik di sepanjang kawat itu sendiri dan ke udara di sekitarnya - bervariasi, terutama karena kedekatan dengan apa pun yang ujung-ujungnya melekat, yang bertindak sebagai heatsink.

Dave Tweed
sumber