Нагревательный элемент - это материал или устройство, которое напрямую преобразует электрическую энергию в тепло или тепловую энергию с помощью принципа, известного как джоулев нагрев. Джоулев нагрев - это явление, при котором проводник выделяет тепло из-за протекания электрического тока. Когда электрический ток протекает через материал, электроны или другие носители заряда сталкиваются с ионами или атомами проводника, создавая трение на атомном уровне. Затем это трение проявляется в виде тепла. Первый закон Джоуля (закон Джоуля-Ленца) используется для описания количества тепла, производимого потоком электричества в проводнике. Это выражается как,
P = IV или P = I²R
Из этих уравнений количество выделяемого тепла зависит от тока и напряжения или сопротивления проводника. В конструкции нагревательных элементов сопротивление является более важным фактором.
Джоулев нагрев наблюдается во всех проводящих материалах с различной интенсивностью, за исключением особого типа материала, известного как сверхпроводники. Как правило, электропроводящие материалы выделяют меньше тепла, поскольку носители заряда могут легко проходить через них; в то время как материалы с высоким электрическим сопротивлением выделяют больше тепла. С другой стороны, сверхпроводники пропускают электричество, но не выделяют тепла
Почти все проводники способны выделять тепло при прохождении электрического тока. Однако не все они подходят для изготовления нагревательных элементов. Требуется правильное сочетание электрических, механических и химических свойств. Ниже перечислены свойства, важные для конструкции нагревателя.
Удельное сопротивление: для выработки тепла нагревательный элемент должен иметь достаточное электрическое сопротивление. Однако сопротивление не должно быть настолько высоким, чтобы он стал изолятором. Электрическое сопротивление равно удельному сопротивлению, умноженному на длину проводника, деленную на его поперечное сечение.
Стойкость к окислению: тепло обычно ускоряет окисление как металлов, так и керамики. Окисление может привести к истощению нагревательного элемента, что может снизить его мощность или нарушить его структуру. Это ограничивает срок службы нагревателя. Для металлических нагревательных элементов легирование оксидным образцом помогает противостоять окислению за счет образования пассивного слоя. Для керамических нагревательных элементов наиболее распространены защитные устойчивые к окислению окалины SiO2 или Al2O3. Типы нагревательных элементов, не подходящие для использования в окислительных средах, таких как графит, чаще всего используются в вакуумных печах или печах, содержащих неокисляющие атмосферные газы, такие как H2, N2, Ar или He, где из камеры нагрева откачивается воздух.
Температурный коэффициент сопротивления: обратите внимание, что удельное сопротивление материала изменяется с температурой. В большинстве проводников при повышении температуры увеличивается и сопротивление. Это явление оказывает более значительное влияние на некоторые материалы. Более высокий температурный коэффициент сопротивления в основном используется для датчиков температуры. Для выработки тепла обычно лучше иметь более низкое значение. Хотя в некоторых случаях, когда изменение сопротивления можно точно спрогнозировать, желательно резкое увеличение сопротивления для обеспечения большей мощности. Чтобы настроить систему на изменение удельного сопротивления, используются системы управления или обратной связи.
Механические свойства: жесткие нагревательные элементы могут деформироваться при использовании при высоких температурах. По мере того, как материал приближается к фазе расплавления или рекристаллизации, материал может ослабляться и деформироваться более легко по сравнению с его состоянием при комнатной температуре. Хороший нагревательный элемент может сохранять форму даже при высоких температурах. С другой стороны, пластичность также является желаемым механическим свойством, особенно для металлических нагревательных элементов. Пластичность позволяет растягивать материал в виде проволоки и придавать ему форму без ущерба для его прочности на разрыв.
Точка плавления: температура плавления материала также ограничивает рабочую температуру нагревателя.
Возврат к списку
