Aquecimento de um fio com corrente DC; por que é mais quente no meio?

Estou colocando a corrente contínua através de um fio para aquecê-lo. Eu pensaria que o fio esquentaria uniformemente, mas descobri que está mais quente quanto mais perto chego do meio, ou, respectivamente, mais frio quanto mais próximo dos grampos. Alguém pode explicar isso?

temperature wire heat

— MikeCrump
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Os conectores de fio nas laterais agem como dissipadores de calor?

— Nazar

Além disso, um TCR positivo alto pode exacerbar o efeito.

— Dampmaskin

Publique uma foto da sua configuração e talvez coloque uma regra ou escala para que possamos estimar as dimensões.

— Transistor

Você pode confirmar como sua energia é alimentada ao circuito?

— Andy aka

Existem dois efeitos em andamento. O efeito de dissipação de calor das conexões e o coeficiente de temperatura no fio.

Inicialmente, o fio está na mesma temperatura.

Você liga a alimentação e começa a esquentar.

O aquecimento é determinado pela dissipação de energia elétrica no fio, para qualquer seção do fio Potência = Corrente * Tensão. Todas as partes do fio terão a mesma corrente. Para um determinado comprimento, a tensão = corrente * resistência fornece potência = corrente ao quadrado * resistência.

Inicialmente, todo o fio tem a mesma resistência e, portanto, o aquecimento é uniforme ao longo do comprimento do fio.

O calor flui dos objetos mais quentes para os objetos mais frios (esta é a primeira lei da termodinâmica). Nesse caso, os pontos de conexão são mais frios e, portanto, o calor flui das extremidades do fio para os conectores, esfriando ligeiramente as extremidades. Como as extremidades são mais frias, os pedaços de fio próximos a eles esfriam uma quantidade menor e assim por diante ao longo do comprimento do fio. Isso resulta em um gradiente de temperatura muito pequeno no fio, com o meio ligeiramente mais quente que as extremidades.

O cobre tem um coeficiente de temperatura positivo de cerca de 0,4% por grau C. Isso significa que quanto mais quente o fio, maior a resistência.

O meio do fio é mais quente, o que significa que sua resistência aumenta. A partir das equações acima, isso significa que mais energia é dissipada no meio do fio do que nas extremidades.

Mais energia significa mais aquecimento no meio do que as extremidades e você obtém um efeito de feedback positivo. O meio é mais quente, o que significa que tem uma resistência mais alta e mais energia é dissipada, o que significa que fica mais quente ...

Isso continua até que quase toda a energia seja dissipada no meio do fio, você nunca recebe toda a energia em um único ponto, porque a condução de calor ao longo do fio significa que as seções próximas ao meio também têm resistência razoavelmente alta. Eventualmente, você alcança um equilíbrio em que a condutividade térmica espalha a energia o suficiente para equilibrar o efeito de feedback positivo.

O melhor exemplo de um coeficiente de temperatura positivo é uma lâmpada incandescente de estilo antigo. Se você medir a resistência a frio, será uma fração do valor que você esperaria para sua potência, eles operam a cerca de 3000 graus e, portanto, a resistência a frio é cerca de 1/10 da resistência operacional normal quando ligada. Eles são feitos de tungstênio e não de cobre; o cobre seria um líquido nessas temperaturas, mas o coeficiente térmico é praticamente o mesmo.

— Andrew
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Outra observação: o fio tem uma baixa resistência, o que significa que a potência total dissipada em um fio geralmente não é tão alta e, portanto, o efeito não é tão grande nas correntes normais. Se você usar um material com maior resistência elétrica e térmica (por exemplo, o chumbo de uma lapiseira funciona bem para isso), poderá ver visivelmente esse efeito enquanto o meio aquece lentamente alguns milhares de graus e começa a brilhar. O meio irá queimar / evaporar nessas temperaturas, aumentando ainda mais sua resistência e aumentando o efeito até que falhe.

— Andrew Andrew

Tenho certeza de que você já sabe disso, mas, para maior clareza, a lapiseira "chumbo" é na verdade grafite, uma forma de carbono. chumbo tem uma resistividade baixa (daí o seu uso em solda)

— Steve Cox

Observe que o OP nunca disse que estava usando cobre (embora provavelmente seja uma aposta segura). Além disso, um bom exemplo de um material com um coeficiente de temperatura negativo de resistência é um filamento de lâmpada de carbono, como os usados nas primeiras lâmpadas.

— Dave Tweed

@SteveCox: Sim, mas o chumbo metálico (e a solda) ainda tem aproximadamente 10x a resistividade do cobre. Que é por isso que a criação de um traço PCB com solda para lidar com correntes mais elevadas é menos eficaz do que você imagina ...

— Dave Tweed

@DaveTweed só não quero que alguém acidentalmente ligar chumbo "maior resistência", onde eles estavam esperando a resistência de grafite

— Steve Cox

Calor e temperatura são duas coisas muito diferentes. A temperatura de equilíbrio ocorre quando o fluxo de calor em uma região é igual ao fluxo de calor.

No seu caso, o fluxo de calor por unidade de comprimento do fio (o aquecimento resistivo) é essencialmente constante, como você supõe. No entanto, o fluxo de calor - tanto ao longo do próprio fio quanto ao ar circundante - varia, principalmente devido à proximidade de qualquer parte da qual as extremidades do fio estejam conectadas, o que age como um dissipador de calor.

— Dave Tweed
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