Calentar un cable con corriente continua; ¿Por qué hace más calor en el medio?


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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?


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¿Los conectores de cable en los lados actúan como disipadores de calor?
Nazar

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Además, un TCR positivo alto puede exacerbar el efecto.
Dampmaskin

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Publique una imagen de su configuración y quizás ponga una regla o escala para que podamos estimar las dimensiones.
Transistor

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¿Puedes confirmar cómo se alimenta tu energía al circuito?
Andy también conocido como

Respuestas:


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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.


Otra nota: el cable tiene una resistencia baja, lo que significa que la potencia total disipada en un cable generalmente no es tan alta, por lo que el efecto no es tan grande a las corrientes normales. Si usa un material con una resistencia eléctrica y térmica más alta (por ejemplo, el plomo de un lápiz mecánico funciona bien para esto), entonces puede ver visiblemente este efecto a medida que el medio se calienta lentamente hasta unos pocos miles de grados y comienza a brillar. El medio se quemará / evaporará a esas temperaturas aumentando aún más su resistencia y aumentando el efecto hasta que falle.
Andrew

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Estoy seguro de que ya lo sabe, pero para mayor claridad, el "plomo" del lápiz mecánico es en realidad grafito, una forma de carbono. el plomo tiene una baja resistividad (de ahí su uso en soldadura)
Steve Cox

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Tenga en cuenta que el OP nunca dijo que estaba usando cobre (aunque probablemente sea una apuesta segura). Además, un buen ejemplo de un material con un coeficiente de resistencia a la temperatura negativo es un filamento de lámpara de carbono, como los utilizados en las primeras bombillas.
Dave Tweed

@SteveCox: Sí, pero el plomo metálico (y la soldadura) todavía tiene aproximadamente 10 veces la resistividad del cobre. Es por eso que construir un rastro de PCB con soldadura para manejar corrientes más altas es menos efectivo de lo que piensas ...
Dave Tweed

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@DaveTweed simplemente no quiere que alguien conecte accidentalmente el plomo de "mayor resistencia" donde esperaban la resistencia del grafito
Steve Cox

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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.

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