Джоулевое нагревание

редактировать

Спиральный нагревательный элемент электрического тостера, раскаленный от красного до желтого.

Электромагнетизм
Статьи о

Электричество Магнетизм История Учебники
Электростатика Электрический заряд Закон Кулона Дирижер Плотность заряда Разрешающая способность Электрический дипольный момент Электрическое поле Электрический потенциал Электрический поток / потенциальная энергия Электростатический разряд Закон Гаусса Индукция Изолятор Плотность поляризации Статическое электричество Трибоэлектричество
Магнитостатика Закон Ампера Закон Био-Савара Закон Гаусса для магнетизма Магнитное поле Магнитный поток Магнитный дипольный момент Магнитная проницаемость Магнитный скалярный потенциал Намагничивание Магнитодвижущая сила Магнитный векторный потенциал Правило правой руки
Электродинамика Закон силы Лоренца Электромагнитная индукция Закон Фарадея Закон Ленца Ток смещения Уравнения Максвелла Электромагнитное поле Электромагнитный импульс Электромагнитное излучение Тензор Максвелла Вектор Пойнтинга Потенциал Льенара – Вихерта Уравнения Ефименко Вихревой ток Уравнения Лондона Математические описания электромагнитного поля.
Электрическая сеть Переменный ток Емкость Постоянный ток Электрический ток Электролиз Плотность тока Джоулевое нагревание Электродвижущая сила Импеданс Индуктивность Закон Ома Параллельная схема Сопротивление Резонансные полости Последовательная схема Напряжение Волноводы
Ковариантная формулировка Электромагнитный тензор ( тензор энергии-импульса ) Четырехтоковый Электромагнитный четырехпотенциальный
Ученые Ампер Биот Кулон Дэви Эйнштейн Фарадей Физо Гаусс Хевисайд Генри Герц Джоуль Ленц Лоренц Максвелл Ørsted Ом Ричи Savart Певица Тесла Вольта Вебер Пуассон
v т е

Джоулев нагрев, также известный как резистивный, резистивный или омический нагрев, - это процесс, при котором прохождение электрического тока через проводник производит тепло.

Первый закон Джоуля (также просто закон Джоуля), также известный как закон Джоуля-Ленца, гласит, что мощность нагрева, создаваемая электрическим проводником, пропорциональна произведению его сопротивления и квадрата тока:

{\ Displaystyle P \ propto I ^ {2} R}

{\ Displaystyle P \ propto I ^ {2} R}

Джоулев нагрев влияет на весь электрический проводник, в отличие от эффекта Пельтье, который передает тепло от одного электрического перехода к другому.

СОДЕРЖАНИЕ

1 История
2 Описание микроскопии
3 Потери мощности и шум
4 формулы
- 4.1 Постоянный ток
- 4.2 Переменный ток
- 4.3 Дифференциальная форма
5 Высоковольтная передача электроэнергии переменным током
6 приложений
- 6.1 Пищевая промышленность
- 6.2 Синтез и обработка материалов
7 Эффективность нагрева
8 Гидравлический эквивалент
9 См. Также
10 Ссылки

История

Джеймс Прескотт Джоуль впервые опубликовал в декабре 1840 года резюме в Proceedings of the Royal Society, в котором предполагалось, что тепло может вырабатываться электрическим током. Джоуля погружают длину проволоки в фиксированной массы из воды и измеряли температуру роста из - за известного тока, протекающего через проволоку в течение 30 минут периода. Путем изменения тока и длину проволоки он сделал вывод о том, что тепло, вырабатываемое была пропорциональна к квадрату тока, умноженного на электрическое сопротивление погруженной проволоки.

В 1841 и 1842 годах последующие эксперименты показали, что количество выделяемого тепла было пропорционально химической энергии, использованной в гальванической батарее, создавшей шаблон. Это привело к тому, что Джоуль отверг калорийную теорию (в то время преобладающую теорию) в пользу механической теории тепла (согласно которой тепло является другой формой энергии ).

Резистивный нагрев был независимо изучен Генрихом Ленцем в 1842 году.

Единица СИ из энергии был впоследствии назван джоуль и обозначается символом J. Общеизвестная единица мощности, ватт, эквивалентна одному джоулю в секунду.

Микроскопическое описание

См. Также: удельное электрическое сопротивление и проводимость, скорость дрейфа и модель Друде.

Джоулев нагрев вызывается взаимодействием между носителями заряда (обычно электронами ) и телом проводника (обычно атомарными ионами ).

Напряжения разница между двумя точками проводника создает электрическое поле, которое ускоряет носитель заряда в направлении электрического поля, давая им кинетическую энергию. Когда заряженные частицы сталкиваются с ионами в проводнике, частицы рассеиваются ; их направление движения становится случайным, а не совмещенным с электрическим полем, которое составляет тепловое движение. Таким образом, энергия электрического поля преобразуется в тепловую.

Потери мощности и шум

Джоулев нагрев называется омическим нагревом или резистивным нагревом из-за его связи с законом Ома. Он является основой для большого количества практических применений, связанных с электрическим обогревом. Однако в приложениях, где нагрев является нежелательным побочным продуктом использования тока (например, потери нагрузки в электрических трансформаторах ), отвод энергии часто называют резистивными потерями. Использование высоких напряжений в системах передачи электроэнергии специально разработано для уменьшения таких потерь в кабелях за счет работы с соизмеримо меньшими токами. Эти кольцевые цепи, или кольцевые сети, используемые в домах Великобритании являются еще одним примером, где энергия подается в торговые точки при более низких токах (на провод, используя два пути параллельно), таким образом уменьшая джоулево нагревание в проводах. Джоулева нагрева не происходит в сверхпроводящих материалах, поскольку эти материалы имеют нулевое электрическое сопротивление в сверхпроводящем состоянии.

Резисторы создают электрический шум, называемый шумом Джонсона – Найквиста. Существует тесная связь между шумом Джонсона – Найквиста и джоулевым нагревом, объясняемая теоремой флуктуационно-диссипации.

Формулы

Постоянный ток

Самая фундаментальная формула для джоулева нагрева - это обобщенное уравнение мощности:

{\ displaystyle P = I (V_ {A} -V_ {B})}

{\ displaystyle P = I (V_ {A} -V_ {B})}

куда

${\ displaystyle P}$ $п$ это мощность (энергия в единицу времени), преобразованная из электрической энергии в тепловую,
${\ displaystyle I}$ $я$ ток, проходящий через резистор или другой элемент,
${\ displaystyle V_ {A} -V_ {B}}$ ${\ displaystyle V_ {A} -V_ {B}}$ - падение напряжения на элементе.

Объяснение этой формулы (): ${\ Displaystyle P = IV}$ ${\ Displaystyle P = IV}$

( Энергия, рассеиваемая за единицу времени) = ( Заряд, проходящий через резистор за единицу времени) × ( Энергия, рассеиваемая за заряд, проходящий через резистор)

Предполагая, что элемент ведет себя как идеальный резистор, и что мощность полностью превращается в тепло, формула может быть переписана путем замены закону Ома,, в обобщенном уравнении мощности: ${\ Displaystyle V = I \ cdot R}$ ${\ Displaystyle V = I \ cdot R}$

{\ Displaystyle P = IV = I ^ {2} R = V ^ {2} / R}

P = IV = I ^ 2R = V ^ 2 / R

где R - сопротивление.

Переменный ток

Основная статья: мощность переменного тока

Когда ток меняется, как в цепях переменного тока,

{\ Displaystyle P (t) = U (t) I (t)}

{\ Displaystyle P (t) = U (t) I (t)}

где t - время, а P - мгновенная мощность, преобразуемая из электрической энергии в тепло. Гораздо чаще средняя мощность представляет больший интерес, чем мгновенная мощность:

{\ displaystyle P _ {\ rm {avg}} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} = I _ {\ text {rms}} ^ {2} R = U _ {\ text {rms} } ^ {2} / R}

{\ displaystyle P _ {\ rm {avg}} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} = I _ {\ text {rms}} ^ {2} R = U _ {\ text {rms} } ^ {2} / R}

где «avg» обозначает среднее значение (среднее значение) за один или несколько циклов, а «rms» обозначает среднеквадратичное значение.

Эти формулы верны для идеального резистора с нулевым реактивным сопротивлением. Если реактивное сопротивление отличное от нуля, формулы изменяются:

{\ displaystyle P _ {\ rm {avg}} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} \ cos \ phi = I _ {\ text {rms}} ^ {2} \ operatorname {Re} (Z) = U _ {\ text {rms}} ^ {2} \ operatorname {Re} (Y ^ {*})}

{\ displaystyle P _ {\ rm {avg}} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} \ cos \ phi = I _ {\ text {rms}} ^ {2} \ operatorname {Re} (Z) = U _ {\ text {rms}} ^ {2} \ operatorname {Re} (Y ^ {*})}

где это разность фаз между током и напряжением, средствами действительной частью, Z представляет собой комплексное сопротивление, а Y * является комплексно - сопряженное от допуска (равные 1 / Z *). ${\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ ${\ displaystyle \ operatorname {Re}}$ $\ operatorname {Re}$

Подробнее о реактивном случае см. Мощность переменного тока ∆0}

Дифференциальная форма

Джоулевое нагревание также можно рассчитать в конкретном месте в космосе. Дифференциальная форма уравнения джоулевого нагрева дает мощность на единицу объема.

{\ Displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {E}}

{\ Displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {E}}

Здесь - плотность тока, - электрическое поле. Для материала с проводимостью, и, следовательно, ${\ displaystyle \ mathbf {J}}$ $\ mathbf {J}$ ${\ displaystyle \ mathbf {E}}$ $\ mathbf {E}$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\сигма$ ${\ Displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma \ mathbf {E}}$ $\ mathbf {J} = \ sigma \ mathbf {E}$

{\ Displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {E} = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {J} \ rho = J ^ {2} / \ sigma}

{\ Displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {E} = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {J} \ rho = J ^ {2} / \ sigma}

где - удельное сопротивление. Это прямо напоминает термин "" макроскопической формы. ${\ displaystyle \ rho = 1 / \ sigma}$ $\ rho = 1 / \ сигма$ ${\ displaystyle I ^ {2} R}$ $I ^ 2R$

В гармоническом случае, когда все величины поля изменяются с угловой частотой как, комплексные векторы и обычно вводятся для плотности тока и напряженности электрического поля соответственно. Затем значение Джоулева нагрева выглядит следующим образом: ${\ displaystyle \ omega}$ $\омега$ ${\ displaystyle e ^ {- \ mathrm {i} \ omega t}}$ ${\ displaystyle e ^ {- \ mathrm {i} \ omega t}}$ ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {J}}}}$ ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {J}}}}$ ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {E}}}}$ ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {E}}}}$

{\ displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = {\ frac {1} {2}} {\ hat {\ mathbf {J}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {E}} } ^ {*} = {\ frac {1} {2}} {\ hat {\ mathbf {J}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {J}}} ^ {*} \ rho = {\ frac {1} {2}} Дж ^ {2} / \ sigma}

{\ displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = {\ frac {1} {2}} {\ hat {\ mathbf {J}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {E}} } ^ {*} = {\ frac {1} {2}} {\ hat {\ mathbf {J}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {J}}} ^ {*} \ rho = {\ frac {1} {2}} Дж ^ {2} / \ sigma}

где обозначает комплексное сопряжение. ${\ Displaystyle \ пуля ^ {*}}$ ${\ Displaystyle \ пуля ^ {*}}$

Высоковольтная передача электроэнергии переменным током

Основная статья: Передача электроэнергии § Преимущество передачи электроэнергии высокого напряжения Смотрите также: Трансформатор и Война токов

Воздушные линии электропередачи передают электрическую энергию от производителей электроэнергии потребителям. Эти линии электропередач имеют ненулевое сопротивление и, следовательно, подвержены джоулевому нагреву, который вызывает потери при передаче.

Разделение мощности между потерями при передаче (джоулева нагрева в линиях электропередачи) и нагрузкой (полезная энергия, передаваемая потребителю) может быть аппроксимировано делителем напряжения. Чтобы минимизировать потери при передаче, сопротивление линий должно быть как можно меньше по сравнению с нагрузкой (сопротивление бытовых приборов). Сопротивление линии сводится к минимуму за счет использования медных проводников, но характеристики сопротивления и источника питания бытовых приборов остаются неизменными.

Обычно между линиями и потреблением ставится трансформатор. Когда высоковольтный ток низкой интенсивности в первичной цепи (до трансформатора) преобразуется в низковольтный ток высокой интенсивности во вторичной цепи (после трансформатора), эквивалентное сопротивление вторичной цепи становится выше. и потери при передаче снижаются пропорционально.

Во время войны токов, переменный ток установка может использовать трансформаторы, чтобы уменьшить потери в линии от джоулева тепла, за счет более высокого напряжения в линиях передачи, по сравнению с DC установок.

Приложения

Джоулев нагрев или резистивный нагрев используется во многих устройствах и в промышленных процессах. Деталь, преобразующая электричество в тепло, называется нагревательным элементом.

Среди множества практических применений можно выделить:

An Лампа накаливания светится, когда нить накала нагревается за счет джоулева тепла, из - за теплового излучения (называемый также излучение черного тела ).
Электрические предохранители используются в качестве предохранителей, размыкая цепь путем плавления, если протекает ток, достаточный для их плавления.
Электронные сигареты испаряют пропиленгликоль и растительный глицерин за счет джоулева нагрева.
В нескольких нагревательных устройствах используется джоулев нагрев, например, электрические плиты, электрические нагреватели, паяльники, картриджные нагреватели.
Некоторое оборудование для пищевой промышленности может использовать джоулев нагрев: прохождение тока через пищевой материал (который ведет себя как электрический резистор) вызывает выделение тепла внутри продукта. Переменный электрический ток в сочетании с сопротивлением пищи вызывает выделение тепла. Более высокое сопротивление увеличивает выделяемое тепло. Омический нагрев позволяет быстро и равномерно нагревать пищевые продукты с сохранением качества. Изделия с твердыми частицами нагреваются быстрее (по сравнению с традиционной термической обработкой) из-за более высокого сопротивления.

Переработка пищевых продуктов

Джоулевое нагревание представляет собой асептический процесс мгновенной пастеризации (также называемый «высокотемпературной кратковременной» (HTST)), при котором через пищу пропускается переменный ток частотой 50–60 Гц. Тепло вырабатывается за счет электрического сопротивления пищи. По мере нагрева продукта электропроводность линейно увеличивается. Лучше всего использовать более высокую частоту электрического тока, так как это снижает окисление и металлическое загрязнение. Этот метод нагрева лучше всего подходит для пищевых продуктов, содержащих взвешенные в слабой солесодержащей среде твердые частицы из-за их высокой стойкости.

Синтез и обработка материалов

Вспышка джоулева нагрева (переходный высокотемпературный электротермический нагрев) использовалась для синтеза аллотропов углерода, включая графен и алмаз. При нагревании различного твердого углеродного сырья (сажа, уголь, кофейная гуща и т. Д.) До температур ~ 3000 K в течение 10-150 миллисекунд образуются турбостратные графеновые хлопья. Исходя из источника фторированного углерода, можно синтезировать фторированный активированный уголь, фторированный наноалмаз, концентрический углерод (углеродная оболочка вокруг ядра наноалмаза) и фторированный флэш-графен.

Применение джоулевого нагрева

An Лампа накаливания «сек нити Светоизлучающий
Инфракрасный - тепловизионное изображение лампочки
Нить лампы накаливания увеличена с помощью растрового электронного микроскопа
Нагревательные змеевики сопротивления 30 кВт
Электрический радиационный обогреватель
Малый бытовой погружной нагреватель, 500 Вт
Сложенный трубчатый нагревательный элемент от кофемашины эспрессо
Лабораторная водяная баня, используемая для реакций при высоких температурах
Настольная электрическая плита
Лабораторная плита, используемая для реакций при высоких температурах
Утюг для одежды, используемый для удаления складок с одежды.
Паяльник, используемый для плавления припоя в электронной работе.
Переносной тепловентилятор, используемый для обогрева помещения
Фен, производит поток горячего воздуха
Патронный нагреватель светится докрасна
Гибкий нагреватель PTC из токопроводящей резины

Эффективность нагрева

Основная статья: Электрическое отопление

Как технология нагрева, джоулев нагрев имеет коэффициент полезного действия 1,0, что означает, что каждый джоуль подаваемой электроэнергии производит один джоуль тепла. Напротив, тепловой насос может иметь коэффициент более 1,0, поскольку он перемещает дополнительную тепловую энергию из окружающей среды в нагреваемый объект.

Определение эффективности процесса нагрева требует определения границ рассматриваемой системы. При обогреве здания общий КПД отличается при рассмотрении теплового эффекта на единицу электроэнергии, поставляемой на стороне счетчика, по сравнению с общим КПД, когда также учитываются потери в электростанции и передаче электроэнергии.

Гидравлический эквивалент

Основная статья: закон Дарси

В энергетическом балансе потока подземных вод используется гидравлический эквивалент закона Джоуля:

{\ displaystyle {dE \ over dx} = {v_ {x} ^ {2} \ over K}}

{dE \ over dx} = {v_x ^ 2 \ over K}

куда:

{\ displaystyle dE / dx}

dE / dx

= потеря гидравлической энергии () из-за трения потока в -направлении в единицу времени (м / день) - сравнимо с

{\ displaystyle E}

E

{\ displaystyle x}

Икс

{\ displaystyle P}

п

{\ displaystyle v_ {x}}

v_x

= скорость потока в -направлении (м / сутки) - сравнимо с

{\ displaystyle x}

Икс

{\ displaystyle I}

я

{\ displaystyle K}

K

= гидравлическая проводимость почвы (м / сутки) - гидравлическая проводимость обратно пропорциональна гидравлическому сопротивлению, которое сравнивается с

{\ displaystyle R}

р

Смотрите также

использованная литература