Нагревание провода постоянным током; почему жарче всего в середине?

Я пропускаю постоянный ток через провод, чтобы нагреть его. Я бы подумал, что провод нагревается равномерно, но я обнаружил, что чем горячее я подхожу к середине, тем горячее или, соответственно, холоднее, ближе к зажимам. Кто-нибудь может объяснить это?

Происходит два эффекта. Эффект теплоотвода соединений и температурный коэффициент на проводе.

Изначально провод все при одинаковой температуре.

Вы включаете питание, и оно начинает нагреваться.

Нагревание определяется рассеиванием электрической энергии в проводе для любой заданной секции провода. Power = Current * Voltage. Все части провода будут иметь одинаковый ток. Для данной длины напряжение = ток * сопротивление дает мощность = ток в квадрате * сопротивление.

Изначально все провода имеют одинаковое сопротивление, поэтому нагрев происходит равномерно по всей длине провода.

Тепло течет от более горячего к объектам к более холодным (это первый закон термодинамики). В этом случае точки подключения более холодные, и поэтому тепловые потоки от концов провода к разъемам слегка охлаждают концы. Поскольку самые концы более холодные, кусочки проволоки рядом с ними охлаждают меньшее количество и так далее по всей длине проволоки. Это приводит к очень маленькому температурному градиенту поперек провода, причем середина немного теплее, чем концы.

Медь имеет положительный температурный коэффициент около 0,4 процента на градус С. Это означает, что чем теплее проволока, тем выше сопротивление.

Середина провода горячее, что означает, что его сопротивление увеличивается. Из приведенных выше уравнений это означает, что больше мощности рассеивается в середине провода, чем на концах.

Большая мощность означает больше нагрева в середине, чем на концах, и вы получите положительный эффект обратной связи. Середина более горячая, что означает, что она имеет более высокое сопротивление, и больше энергии рассеивается там, что означает, что она нагревается ...

Это продолжается до тех пор, пока почти вся мощность не рассеется в середине провода, и вы никогда не получите всю мощность в одной точке, потому что теплопроводность вдоль провода означает, что участки вблизи середины также имеют достаточно высокое сопротивление. В конце концов вы достигнете равновесия, когда теплопроводность распределяет энергию достаточно, чтобы сбалансировать эффект положительной обратной связи.

Лучший пример положительного температурного коэффициента - лампа накаливания старого образца. Если вы измеряете сопротивление в холодном состоянии, то оно будет на долю от значения, которое вы ожидаете получить для его номинальной мощности, они работают при температуре около 3000 градусов, и поэтому сопротивление холоду составляет примерно 1/10 от нормального рабочего сопротивления при включении. Они сделаны из вольфрама, а не меди, при таких температурах медь будет жидкостью, но тепловой коэффициент примерно одинаков.

Тепло и температура - это две разные вещи. Равновесная температура возникает, когда тепловой поток в область равен тепловому потоку.

В вашем случае, как вы и предполагаете, тепловой поток на единицу длины провода (резистивный нагрев) практически постоянен. Однако тепловой поток - как по самой проволоке, так и к окружающему воздуху - варьируется, главным образом, из-за близости от того, к чему прикреплены концы проволоки, который действует как теплоотвод.