Нагрівання дроту постійним струмом; чому найгарячіше в середині?

Я проводжу постійний струм через провід, щоб нагріти його. Я б подумав, що дріт нагріється рівномірно, але я виявив, що гарячіше, чим ближче до середини, або, відповідно, холодніше ближче до затискачів. Хтось може це пояснити?

Тривають два ефекти. Вплив тепла на з'єднання та коефіцієнт температури на дроті.

Спочатку провід знаходиться при тій же температурі.

Ви включаєте живлення і воно починає нагріватися.

Нагрівання визначається розсіюванням електричної потужності в проводі для будь-якої заданої ділянки проводів Потужність = струм * Напруга. Всі частини дроту матимуть однаковий струм. Для заданої довжини напруга = струм * опір, що дає потужність = струм у квадраті * опір.

Спочатку весь провід має однаковий опір і тому нагрівання відбувається навіть по довжині дроту.

Тепло тече від гарячого до об'єктів до більш прохолодних (це перший закон термодинаміки). У цьому випадку точки з’єднання прохолодніші, тому теплота переходить від кінців дроту до роз'ємів, трохи охолоджуючи кінці. Оскільки самі кінці холодніші, шматочки дроту поблизу них охолоджують меншу кількість і так далі по довжині дроту. Це призводить до дуже малого градієнта температури по дроту, середина трохи тепліша від кінців.

Мідь має позитивний температурний коефіцієнт близько 0,4 відсотка на градус С. Це означає, що чим тепліший провід, тим вище опір.

Середина дроту гарячіша, а значить, її опір збільшується. З наведених рівнянь це означає, що в середині дроту розсіюється більше потужності, ніж у кінцях.

Більше енергії означає більше нагрівання в середині, ніж на кінцях, і ви отримуєте позитивний ефект зворотного зв'язку. Середина гарячіша, це означає, що вона має більш високий опір і більше потужності розсіюється там, а значить, стає гарячіше ...

Це триває до тих пір, поки майже вся потужність не розсіюється посередині дроту, ви ніколи не отримуєте всю потужність в одній точці, оскільки теплопровідність по дроту означає, що ділянки біля середини також мають досить високий опір. Врешті-решт ви досягнете рівноваги, де теплопровідність поширює енергію, достатню для збалансування позитивного ефекту зворотного зв'язку.

Найкращий приклад позитивного температурного коефіцієнта - лампочка розжарювання старого стилю. Якщо ви вимірюєте опір при холоді, це буде частка тієї величини, яку ви очікували б для його потужності, вони працюють приблизно при 3000 градусах, і тому опір холоду становить приблизно 1/10 від нормального робочого опору при включенні. Вони виготовлені з вольфраму, а не міді, мідь була б рідиною при тих температурах, але тепловий коефіцієнт приблизно такий же.

Тепло і температура - це дві дуже різні речі. Температура рівноваги виникає, коли потік тепла в область дорівнює тепловому потоку.

У вашому випадку тепловий потік на одиницю довжини дроту (резистивний нагрів), по суті, постійний, як ви думаєте. Однак тепловий потік - як вздовж самого проводу, так і навколишнього повітря - змінюється, головним чином, через близькість того, до якого кінці дроту прикріплені, що виконує функцію радіатора.