Estoy poniendo corriente continua a través de un cable para calentarla. Pensaría que el cable se calentaría de manera uniforme, pero me he dado cuenta de que hace más calor cuanto más se acerca al centro o, respectivamente, más frío está el más cerca de las abrazaderas. ¿Alguien puede explicar esto?
Hay dos efectos en marcha. El efecto disipador de calor de las conexiones y el coeficiente de temperatura en el cable.
Inicialmente, el cable está a la misma temperatura.
Usted enciende la alimentación y comienza a calentarse.
El calentamiento está determinado por la disipación de energía eléctrica en el cable, para cualquier sección del cable Potencia = Corriente * Voltaje. Todas las partes del cable tendrán la misma corriente. Para una longitud dada, el Voltaje = Corriente * Resistencia que da Potencia = Corriente al cuadrado * Resistencia.
Inicialmente, todo el cable tiene la misma resistencia y, por lo tanto, 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 a los conectores que enfrían ligeramente los extremos. Dado que los extremos son más fríos, los trozos de cable cerca de ellos se enfrían una cantidad menor y así sucesivamente a lo largo del cable. Esto da como resultado un gradiente de temperatura muy pequeño a través del cable con el medio 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 caliente esté el cable, mayor será la resistencia.
La mitad del cable está más caliente, lo que significa que su resistencia aumenta. De las ecuaciones anteriores, esto significa que se disipa más poder en la mitad 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 ...
Esto continúa hasta que casi toda la potencia se disipa en el centro del cable, nunca se obtiene toda la energía en un solo punto porque la conducción de calor a lo largo del cable significa que las secciones cercanas al centro también tienen una resistencia razonablemente alta. Finalmente, alcanzará un equilibrio donde la conductividad térmica distribuye la energía suficiente 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 por su potencia nominal, 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 activada. Están hechas de tungsteno, no de cobre, el cobre sería un líquido a esas temperaturas, pero el coeficiente térmico es aproximadamente el mismo.
El calor y la temperatura son dos cosas muy diferentes. La temperatura de equilibrio se produce cuando el flujo de calor en una región es igual al flujo de calor hacia fuera.
En su caso, el flujo de calor por unidad de longitud del cable (el calentamiento resistivo) es esencialmente constante, como supondrá. Sin embargo, el flujo de calor hacia fuera, tanto a lo largo del cable como hacia el aire circundante, varía, principalmente debido a la proximidad de los extremos del cable, lo que actúa como un disipador de calor.
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