Drahtgröße und elektrischer Strom – Heizung in Joule

Haben Sie jemals in den Toaster geschaut, während Sie darauf gewartet haben, dass der Toast erscheint? In diesem Fall haben Sie möglicherweise ein leuchtend orangefarbenes Leuchten bemerkt. Dieser Glanz entsteht, wenn die Toastkabel heiß werden, was wiederum eine schöne knusprige Oberfläche auf dem Brot oder der Waffel erzeugt. Es ist das gleiche Phänomen wie wenn das Filament in einer Glühbirne leuchtet. Das in beiden Fällen erzeugte Licht und die Wärme sind das Ergebnis des Joule-Effekts, der bei der Arbeit als “Juwel” ausgesprochen wird.

Um die Joule’sche Erwärmung zu verstehen, aktualisieren wir zunächst unser Gedächtnis hinsichtlich des Widerstands von elektrischem Strom. Wir haben früher gelernt, dass Draht kein perfekter Leiter ist und daher ein Strömungswiderstand auftritt. Dieser Widerstand führt zu einem Stromausfall entlang des Kabels gemäß der folgenden Gleichung:

Energieverlust = I.2 × R.

Wo ich ist der elektrische Strom, der durch einen Draht fließt, und R. ist der elektrische Gesamtwiderstand des Kabels. Der Leistungsverlust wird in Einheiten von Joule pro Sekunde gemessen, auch als Watt bekannt, und “Watt” bezeichnet eine metrische Leistungseinheit. Es ist nach dem berühmten schottischen Maschinenbauingenieur James Watt benannt, der für die Erfindung der modernen Dampfmaschine verantwortlich ist. Ein Joule ist eine metrische Einheit der Wärmeenergie, benannt nach dem englischen Wissenschaftler James Prescott Joule. Er war ein Pionier auf dem Gebiet der Thermodynamik, einem Zweig der Physik, der sich mit den Beziehungen zwischen verschiedenen Energieformen befasst.

Um zu sehen, wie die Gleichung funktioniert, schauen wir uns ein Beispiel an. Angenommen, wir haben 12 Fuß Kupferdraht mit 12 AWG. Wir verwenden es, um ein Gerät mit Strom zu versorgen, das 10 Ampere elektrischen Strom verbraucht. In unserem praktischen technischen Nachschlagewerk haben wir festgestellt, dass 12-AWG-Kabel einen elektrischen Widerstand von 0,001588 Ohm pro Fuß haben, wobei „Ohm“ eine Einheit des elektrischen Widerstands ist. Wenn Sie die Zahlen eingeben, lautet unsere Gleichung für den gesamten elektrischen Widerstand:

R = (0,001588 Ohm pro Fuß) × 12 Fuß = 0,01905 Ohm

Und jetzt können wir den Leistungsverlust wie folgt berechnen:

Macht = ich2 × R = (10 Ampere)2 × (0,01905 Ohm) = 1,905 Watt

Anstatt Kabel mit 12 AWG zu verwenden, verwenden wir Kabel mit kleinerem Durchmesser, z. B. 26 AWG. Unser technisches Nachschlagewerk besagt, dass 26 AWG-Kabel einen elektrischen Widerstand von 0,0418 Ohm pro Fuß haben. Mal sehen, wie sich dadurch der Energieverlust ändert:

R = (0,0418 Ohm pro Fuß) × 12 Fuß = 0,5016 Ohm

Macht = ich2 × R = (10 Ampere)2 × (0,5016 Ohm) = 50,16 Watt

Dies erklärt, warum Geräte wie Raumheizgeräte und Fensterklimaanlagen kurze, dicke Netzkabel haben. Sie ziehen im Betrieb viel Strom, und ein kurzes Netzkabel hat, gerade weil es kurz ist, einen geringeren elektrischen Widerstand als ein langes Kabel. Ein dickeres Kabel verringert auch den Widerstand gegen den Stromfluss. Das Ergebnis ist eine große Strommenge, die durch eine Kabelautobahn fließt. Der breite Liegeplatz verringert sowohl den Leistungsverlust als auch die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Joule-Erwärmungseffekts.

Unser Beispiel zeigt, dass elektrischer Strom, der durch ein Kabel mit 12 AWG fließt, aufgrund von Inkonsistenzen innerhalb des Kabels 1,905 Watt an Leistung verliert, was wiederum dazu führt, dass sich das Kabel erwärmt. Dies ist Joule Heizung bei der Arbeit. Die 50,16-Watt-Joule-Erwärmung im dünneren 26-AWG-Kabel kann schwerwiegende Probleme verursachen.

Bei Verwendung eines Stromkabels gelangt Wärme vom Kupferdraht darin, dessen Funktion darin besteht, Elektrizität und darüber hinaus zur umgebenden elektrischen Isolierung zu leiten. Dort wird die Wärme nicht gespeichert, sondern entweicht in die Umgebung des Kabels. Wenn der Draht einen niedrigen Innenwiderstand hat und die durch ihn fließende Strommenge innerhalb der Grenzen liegt, die als akzeptabel angesehen werden, kann die Joule-Heizung sicher abgeleitet werden und der Draht bleibt kühl. Wenn der Strom jedoch den Sicherheitsgrenzwert überschreitet, der in der AWG-Tabelle (American Wire Gauge) für diesen Kabeltyp angegeben ist, kann dies zu einer Überhitzung führen. Die elektrische Isolierung kann zu schmelzen und zu brennen beginnen, und die örtliche Feuerwehr kann sich beteiligen.

Das war’s für die Größe der Drähte und den elektrischen Strom. Das nächste Mal kehren wir in die mechanische Welt zurück und beschäftigen uns mit einem neuen Thema: den Prinzipien der Belüftung.

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