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 известный как закон Джоуля-Ленца [1], гласит, что мощность нагрева, создаваемая электрическим проводником , пропорциональна произведению его сопротивления на квадрат тока:
Джоулев нагрев влияет на весь электрический проводник, в отличие от эффекта Пельтье, который передает тепло от одного электрического перехода к другому.
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. [2]
В 1841 и 1842 годах последующие эксперименты показали, что количество выделяемого тепла было пропорционально химической энергии, используемой в гальванической батарее , создавшей шаблон. Это привело Джоуля к отказу от теории теплоты (в то время преобладающей теории) в пользу механической энергии. теория тепла (согласно которой тепло является другой формой энергии ). [2]
Резистивный нагрев был независимо изучен Генрихом Ленцем в 1842 году [1].
Единица СИ из энергии был впоследствии назван джоуль и обозначается символом J . Общеизвестная единица мощности, ватт , эквивалентна одному джоулю в секунду.
Микроскопическое описание
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 . [3]
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 более низкими 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:
где
- это мощность (энергия в единицу времени), преобразованная из электрической энергии в тепловую,
- ток, проходящий через резистор или другой элемент,
- - падение напряжения на элементе.
Объяснение этой формулы () это: [4]
- ( Энергия, рассеиваемая за единицу времени ) = ( Заряд, проходящий через резистор за единицу времени ) × ( Энергия, рассеиваемая за заряд, проходящий через резистор )
Предполагая элемента ведет себя как идеальный резистор , и что власть полностью превращается в тепло, формула может быть переписана подставляя закону Ома ,, в обобщенное уравнение мощности:
где R - сопротивление .
Переменный ток
Когда ток меняется, как в цепях переменного тока,
где t - время, а P - мгновенная мощность, преобразуемая из электрической энергии в тепло. Гораздо чаще средняя мощность представляет больший интерес, чем мгновенная мощность:
где «avg» обозначает 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:
где - разность фаз между током и напряжением, означает действительную часть , Z представляет собой комплексное сопротивление , а Y * является комплексно - сопряженное от допуска (равный 1 / Z * ).
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.
Здесь, - плотность тока, а электрическое поле. Для материала с проводимостью, и поэтому
где это удельное сопротивление . Это прямо похоже на "«термин макроскопической формы.
В гармоническом случае, когда все величины поля меняются с угловой частотой в виде , комплексные векторы а также обычно вводятся для плотности тока и напряженности электрического поля соответственно. Затем значение Джоулева нагрева будет следующим:
- ,
где обозначает комплексно сопряженное .
Высоковольтная передача электроэнергии переменным током
Воздушные линии электропередачи передают электрическую энергию от производителей электроэнергии потребителям. Эти линии электропередач имеют ненулевое сопротивление и, следовательно, подвержены джоулева 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. [5] 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, которая преобразует электричество в тепло за счет джоулева нагрева, называется нагревательным элементом .
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
Картридж нагревателя светится докрасна
Гибкий нагреватель PTC из токопроводящей резины
Есть много практических применений джоулева нагрева:
- 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, в электрических плитах , электрических нагревателях , паяльниках , картриджных нагревателях .
- 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. [6] Переменный электрический ток в сочетании с сопротивлением пищи вызывает выделение тепла. [7] Более высокое сопротивление увеличивает выделяемое тепло. Омический нагрев позволяет быстро и равномерно нагревать пищевые продукты, сохраняя при этом их высокое качество. Продукты с частицами нагреваются быстрее при омическом нагреве (по сравнению с традиционной термообработкой) из-за более высокого сопротивления. [8]
Переработка пищевых продуктов
Джоулевое нагревание ( омическое нагревание ) - это асептический процесс мгновенной пастеризации (также называемый «высокотемпературной кратковременной» (HTST)), при котором через пищу пропускается переменный ток 50–60 Гц. [9] Тепло выделяется за счет электрического сопротивления пищи. [9] По мере нагрева продукта электропроводность линейно увеличивается. [7] Лучше всего использовать более высокую частоту электрического тока, так как это снижает окисление и металлическое загрязнение. [9] Этот метод нагрева лучше всего подходит для пищевых продуктов, содержащих твердые частицы, взвешенные в слабосолевой среде, из-за их высокой стойкости. [8] Омический нагрев позволяет поддерживать качество пищевых продуктов за счет равномерного нагрева, что снижает их порчу и чрезмерную переработку. [9]
Эффективность нагрева
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
В энергетическом балансе потока подземных вод используется гидравлический эквивалент закона Джоуля: [10]
где:
- = потеря гидравлической энергии ( ) из-за трения потока в -направление в единицу времени (м / сутки) - сравнимо с
- = скорость потока в -направление (м / сутки) - сопоставимо с
- = гидравлическая проводимость почвы (м / сутки) - гидравлическая проводимость обратно пропорциональна гидравлическому сопротивлению, которое сравнивается с
Смотрите также
- Провод сопротивления
- Нагревательный элемент
- Нихром
- Вольфрам
- Дисилицид молибдена
- Перегрев (электричество)
- Температурный менеджмент (электроника)
- Индукционный нагрев
Рекомендации
- ^ a b Джоуля - Ленца закон. Архивировано 30 декабря 2014 г., Wayback Machine . Большая советская энциклопедия , 3-е изд., Гл. ред. А. М. Прохоров. Москва: Советская энциклопедия, 1972. Т. 8 ( А.М. Прохоров; и др., Ред. (1972). «Закон Джоуля – Ленца». Большая Советская энциклопедия ). 8. Москва: Советская энциклопедия.)
- ^ а б «История физики в этом месяце: декабрь 1840 года: реферат Джоуля о преобразовании механической энергии в тепло» . aps.org . Американское физическое общество . Проверено 16 сентября 2016 года .
- ^ «Скорость дрейфа, ток дрейфа и подвижность электронов» . Электрический4U . Проверено 26 июля 2017 года .
- ^ Электроэнергетические системы: концептуальное введение Александры фон Мейер, стр. 67, ссылка на книги Google
- ^ «Трансформаторные схемы» . Проверено 26 июля 2017 года .
- ^ Рамасвами, Рагхупати. «Омический нагрев пищевых продуктов» . Государственный университет Огайо. Архивировано из оригинала на 2013-04-08 . Проверено 22 апреля 2013 .
- ^ а б Стипендиаты, PJ (2009). Технология пищевой промышленности . МА: Elsevier. С. 813–844. ISBN 978-0-08-101907-8.
- ^ а б Варгезе, К. Шиби; Панди, MC; Радхакришна, К .; Бава, А.С. (октябрь 2014 г.). «Технология, применение и моделирование омического нагрева: обзор» . Журнал пищевой науки и технологий . 51 (10): 2304–2317. DOI : 10.1007 / s13197-012-0710-3 . ISSN 0022-1155 . PMC 4190208 . PMID 25328171 .
- ^ а б в г 1953-, стипендиаты, П. (Питер) (2017) [2016]. Технология пищевой промышленности: принципы и практика (4-е изд.). Кент: издательство Woodhead Publishing / Elsevier Science. ISBN 9780081019078. OCLC 960758611 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
- ^ RJOosterbaan, J.Boonstra и KVGKRao (1996). Энергетический баланс потока подземных вод (PDF) . В: В.П.Сингх и Б.Кумар (ред.), Гидрология подземных вод, Том 2 материалов Международной конференции по гидрологии и водным ресурсам, Нью-Дели, Индия. Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, Нидерланды. С. 153–160. ISBN 978-0-7923-3651-8.