我将直流电流通过电线加热。我认为电线会均匀加热,但我发现它越靠近中间越热,或者分别越靠近夹子越冷。谁能解释一下?
用直流电流加热电线;为什么中间最热?
有两种影响正在发生。连接的散热效果和导线上的温度系数。
最初,电线都处于相同的温度。
你打开电源,它开始变热。
对于电线的任何给定部分,加热由电线中的电功率耗散决定 功率 = 电流 * 电压。电线的所有部分将具有相同的电流。对于给定的长度,电压 = 电流 * 电阻给出功率 = 电流平方 * 电阻。
最初,所有电线都具有相同的电阻,因此沿着电线的长度均匀加热。
热量从较热的物体流向较冷的物体(这是热力学第一定律)。在这种情况下,连接点较冷,因此热量从电线的末端流向连接器,从而稍微冷却末端。由于末端较冷,因此靠近它们的线头会冷却较小的量,依此类推。这导致导线上的温度梯度非常小,中间略高于末端。
铜的正温度系数约为每摄氏度 0.4%。这意味着导线温度越高,电阻越高。
电线的中间更热,这意味着它的电阻增加。从上面的等式中,这意味着导线中间比末端消耗的功率更多。
更大的功率意味着中间的热量比末端的热量多,并且您会获得正反馈效果。中间更热,这意味着它具有更高的电阻,并且在那里消耗更多的功率,这意味着它变得更热......
这种情况一直持续到几乎所有的功率都消耗在电线的中间,你永远不会在一个点上获得所有的功率,因为沿着电线的热传导意味着靠近中间的部分也具有相当高的电阻。最终,您会达到平衡,其中热导率会传播足够的能量以平衡正反馈效应。
正温度系数的最佳示例是老式白炽灯泡。如果您在冷时测量电阻,它将是您期望的额定功率值的一小部分,它们在大约 3000 度的温度下工作,因此冷电阻约为开启时正常工作电阻的 1/10。它们是由钨而不是铜制成的,铜在这些温度下会是液体,但热系数大致相同。
热量和温度是两个非常不同的东西。当流入某个区域的热量等于流出的热量时,就会出现平衡温度。
在您的情况下,每单位长度的电线(电阻加热)中的热流基本上是恒定的,正如您所推测的那样。然而,热量流出——无论是沿着电线本身还是到周围的空气——都会发生变化,这主要是由于电线末端所连接的任何东西都很接近,它起到了散热器的作用。