Estoy poniendo corriente continua a través de un cable para calentarlo. Creo que el cable se calentaría de manera uniforme, pero descubrí que es más caliente cuanto más me acerco al medio o, respectivamente, más frío cuanto más cerca de las abrazaderas. ¿Alguien puede explicar esto?
temperature
wire
heat
MikeCrump
fuente
fuente
Respuestas:
Hay dos efectos sucediendo. El efecto de disipación de calor de las conexiones y el coeficiente de temperatura en el cable.
Inicialmente, el cable está a la misma temperatura.
Enciende la alimentación y comienza a calentarse.
El calentamiento está determinado por la disipación de energía eléctrica en el cable, para cualquier sección dada del cable Potencia = Corriente * Voltaje. Todas las partes del cable tendrán la misma corriente. Para una longitud dada, el Voltaje = Corriente * Resistencia que da Poder = Corriente al cuadrado * Resistencia.
Inicialmente, todo el cable tiene la misma resistencia, por lo que el calentamiento es uniforme a lo largo del cable.
El calor fluye de más caliente a objetos más fríos (esta es la primera ley de la termodinámica). En este caso, los puntos de conexión son más fríos y, por lo tanto, el calor fluye desde los extremos del cable hasta los conectores que enfrían ligeramente los extremos. Como los extremos están más fríos, los trozos de cable cerca de ellos se enfrían una cantidad más pequeña y así sucesivamente a lo largo del cable. Esto da como resultado un gradiente de temperatura muy pequeño a través del cable con el centro ligeramente más cálido que los extremos.
El cobre tiene un coeficiente de temperatura positivo de aproximadamente 0.4 por ciento por grado C. Esto significa que cuanto más cálido es el cable, mayor es la resistencia.
La mitad del cable está más caliente, lo que significa que aumenta su resistencia. De las ecuaciones anteriores esto significa que se disipa más potencia en el medio del cable que en los extremos.
Más potencia significa más calentamiento en el medio que en los extremos y obtienes un efecto de retroalimentación positiva. El medio es más caliente, lo que significa que tiene una mayor resistencia y más potencia se disipa allí, lo que significa que se calienta más ...
Esto continúa hasta que casi toda la potencia se disipe en el medio del cable, nunca obtienes toda la potencia en un solo punto porque la conducción de calor a lo largo del cable significa que las secciones cercanas al medio también tienen una resistencia razonablemente alta. Finalmente, alcanza un equilibrio donde la conductividad térmica difunde la energía lo suficiente como para equilibrar el efecto de retroalimentación positiva.
El mejor ejemplo de un coeficiente de temperatura positivo es una bombilla incandescente de estilo antiguo. Si mide la resistencia cuando está frío, será una fracción del valor que esperaría para su clasificación de potencia, operan a aproximadamente 3000 grados y, por lo tanto, la resistencia al frío es aproximadamente 1/10 de la resistencia de funcionamiento normal cuando está encendido. Están hechos de tungsteno, no cobre, el cobre sería un líquido a esas temperaturas, pero el coeficiente térmico es casi el mismo.
fuente
El calor y la temperatura son dos cosas muy diferentes. La temperatura de equilibrio ocurre cuando el flujo de calor hacia una región es igual al flujo de calor hacia afuera.
En su caso, el flujo de calor por unidad de longitud de cable (el calentamiento resistivo) es esencialmente constante, como usted supone. Sin embargo, el flujo de calor hacia afuera, tanto a lo largo del cable como hacia el aire circundante, varía, principalmente debido a la proximidad de los extremos del cable, que actúa como un disipador térmico.
fuente