Wärme und Kleingeräte

Ich versuche gerade, mich mit grundlegender Elektronik vertraut zu machen. Ich verstehe die Konzepte von Spannung, Stromstärke und Widerstand, bin jedoch verwirrt darüber, wie Wärme erzeugt wird und wie diese drei Dinge zusammenhängen. Das sind meine Vermutungen und Fragen:

  1. Wenn Sie ein Gerät an eine 120-V-Steckdose anschließen, fließt eine gewisse Stromstärke durch das Kabel, abhängig von der Höhe des Widerstands im Stromkreis (I = V / R, wobei die Spannung konstant 120 V beträgt). Der Widerstand im Stromkreis hängt vom spezifischen Widerstand des Materials und der Länge/Form sowohl des Kabels als auch des Geräts ab.

  2. Der Unterschied zwischen einem Gerät mit hoher Stromstärke (wie einem Kühlschrank oder einer Raumheizung) und einem Gerät mit niedriger Stromstärke (wie einer Glühbirne) ist der Widerstand im Stromkreis. Eine Glühbirne zieht weniger Strom, weil der Widerstand größer ist. Mit anderen Worten, der Widerstand wird verwendet, um die von einem Gerät gezogene Stromstärke zu steuern. Das Gerät ist absichtlich so konstruiert, dass es den richtigen Widerstand hat, um die richtige Stromstärke zu ziehen.

    • Ist diese Annahme richtig?

  3. Mehr Widerstand erzeugt mehr Wärme. Dies liegt daran, dass die Elektronen in dem Material, durch das sie sich bewegen, auf die Atome stoßen. Ich stelle mir das so vor, als hätte ich mehr Reibung, also mehr Wärme. Aus diesem Grund kann sich ein ausgefranster Draht erhitzen und einen elektrischen Brand verursachen.

    • Bedeutet dies, dass eine Glühbirne, da sie einen höheren Widerstand als eine Raumheizung hat, wahrscheinlicher ist, dass sie sich erhitzt und einen elektrischen Brand verursacht? Sind Kleingeräte aufgrund ihres höheren Widerstands also gefährlicher als Großgeräte?
    • Erzeugt Strom selbst Wärme? Wenn Sie also den Widerstand verringern und damit den Strom erhöhen, wird dann mehr Wärme erzeugt (obwohl die Wärme aufgrund des Widerstands abnimmt)? Umgekehrt hilft ein zunehmender Widerstand (z. B. Ausfransen eines Drahtes) auch beim Abkühlen, da der Strom reduziert wird?

Alle mögliche Erklärungen würden sehr geschätzt.

"Mehr Widerstand erzeugt mehr Wärme" - Das kann es, ABER - nur wenn der Strom konstant bleibt. Wenn Ihre Versorgungsspannung fest ist, führt eine Erhöhung des Widerstands dazu, dass der Strom abnimmt , was zu einer geringeren Verlustleistung (als Wärme) führt.
Was "mehr Widerstand" bewirkt, hängt davon ab, was Strom liefert. Wenn die Stromquelle eine feste Spannung hat, reduziert ein höherer Widerstand den daraus gezogenen Strom, und das bedeutet weniger Leistung und weniger Wärme. Ihre Glühbirne erzeugt also weniger Wärme als ein Elektroherd. Wenn die Stromquelle einen festen Strom erzeugt (ungewöhnlich, aber möglich), kann mehr Widerstand den Strom nicht verringern, sodass die Spannung stattdessen ansteigt. DANN bekommst du mehr Leistung und mehr Wärme.

Antworten (3)

1. Wenn Sie ein Gerät an eine 120-V-Steckdose anschließen, fließt je nach Widerstand im Stromkreis eine gewisse Stromstärke durch das Kabel (I = V / R, wobei die Spannung konstant 120 V beträgt). Der Widerstand im Stromkreis hängt vom spezifischen Widerstand des Materials und der Länge/Form sowohl des Kabels als auch des Geräts ab.

Richtig.

2. Der Unterschied zwischen einem Gerät mit hoher Amperezahl (wie einem Kühlschrank oder einer Raumheizung) und einem Gerät mit niedriger Amperezahl (wie einer Glühbirne) ist der Widerstand im Stromkreis. Eine Glühbirne zieht weniger Strom, weil der Widerstand größer ist. Mit anderen Worten, der Widerstand wird verwendet, um die von einem Gerät gezogene Stromstärke zu steuern. Das Gerät ist absichtlich so konstruiert, dass es den richtigen Widerstand hat, um die richtige Stromstärke zu ziehen. •Ist diese Annahme richtig?

Ja. Etwas komplizierter als das, aber im Wesentlichen richtig.

3. Mehr Widerstand erzeugt mehr Wärme.

Falsch. Bei einer festen Eingangsspannung erzeugt WENIGER Widerstand mehr Wärme.

P Ö w e R = v Ö l T S 2 / R e S ich S T A N C e

Wenn der Widerstand fällt, verbrauchen Sie mehr Strom und damit mehr Leistung.

Dies liegt daran, dass die Elektronen in dem Material, durch das sie sich bewegen, auf die Atome stoßen. Ich stelle mir das so vor, als hätte ich mehr Reibung, also mehr Wärme. Aus diesem Grund kann sich ein ausgefranster Draht erhitzen und einen elektrischen Brand verursachen.

Stimmt, aber auch hier hängt es davon ab, wie schnell und wie viele Elektronen sich bewegen. Höherer Strom = mehr Kollisionen = mehr Hitze.

•Bedeutet dies, dass eine Glühbirne einen höheren Widerstand als eine Raumheizung hat und daher wahrscheinlicher wird, dass sie sich erhitzt und einen elektrischen Brand verursacht? Sind Kleingeräte aufgrund ihres höheren Widerstands also gefährlicher als Großgeräte?

Ihre ungültigen Annahmen machen dies ein wenig ungültig.

Außerdem ist die Temperaturänderung auch von der Geometrie abhängig. Der Glühfaden in einer 100-W-Glühbirne wird um Größenordnungen heißer als Ihr 750-W-Kühlschrank, da sich die Wärme auf einen kleinen Bereich konzentriert. Hier ist es wichtig, Hitze von Hitze zu trennen. Ihr Kühlschrank gibt mehr Wärme ab als die Glühbirne, wird aber nicht so heiß.

•Erzeugt Strom selbst Wärme?

Das haben wir bereits abgedeckt.

Wenn Sie also den Widerstand verringern und damit den Strom erhöhen, wird dann mehr Wärme erzeugt (obwohl die Wärme aufgrund des Widerstands abnimmt)? Umgekehrt hilft ein zunehmender Widerstand (z. B. Ausfransen eines Drahtes) auch beim Abkühlen, da der Strom reduziert wird?

Wieder hast du den Widerstandsteil rückwärts bekommen.

Das Ausfransen eines Drahtes ist etwas komplexer. Am Ende erhöhen Sie hier den Spannungsabfall an diesem ausgefransten Teil des Kabels, der einen höheren Widerstand als der Rest des Kabels hat, und fügen eine weitere Last 1 in Reihe mit dem Gerät hinzu. Diese neue Last stiehlt dem Gerät etwas Spannung. Der Gesamtstrom wird etwas reduziert. Dieser Spannungsabfall multipliziert mit dem Strom, den die Kombinationslast weiterhin aufnimmt, erzeugt Wärme im ausgefransten Teil. Da der ausgefranste Teil klein ist, wird diese Hitze zu HEISS. Wenn es genug ausgefranst ist, kann es tatsächlich ein Feuer auslösen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

NACHTRAG

1 Der Begriff „LOAD“ kann in EE verwirrend sein. Eine "LAST" wird im Allgemeinen als etwas definiert, das Energie verbraucht. Wenn Sie jedoch ohmsche Lasten in Reihe zu einer Festspannungsversorgung hinzufügen, sinkt die "Last" an der Versorgung und nicht. Erst wenn Sie parallel Lasten hinzufügen, steigt die Last auf der Versorgung.

Der Teil, den ich immer noch nicht ganz verstehe, ist der ausgefranste Draht. Meine Interpretation dessen, was Sie gesagt haben, ist, dass, wenn ein Draht ausgefranst ist, sich die ausgefransten Stränge berühren können (heiß und neutral), wodurch ein weiterer Stromkreis entsteht. Dies ist die von Ihnen erwähnte "Last", die im Grunde nur das kleine Stück ausgefransten Drahtes ist. Die 120 V werden jetzt zwischen dem Gerät und den Schaltkreisen mit ausgefransten Drähten aufgeteilt (der Spannungsabfall ist der Betrag, der dem Gerät für den Schaltkreis mit ausgefransten Drähten entnommen wird?). Was bestimmt, wie groß dieser V-Abfall ist? Sollte der hohe Widerstand dieser kleinen Last nicht verhindern, dass der Strom zu hoch / zu heiß wird?
@ Jahlon nein .. lass mich die Antwort ein wenig erweitern ...
@Jahlon dort ... hilft das Bild? 10R ist zwar etwas übertrieben, aber Sie sollten verstehen, worauf es ankommt.
Dies liegt wahrscheinlich nur daran, dass ich mit Schaltplänen unerfahren bin, aber warum ist der Ausfransen mit 10 Ohm gekennzeichnet, während das Gerät mit 100 Ohm gekennzeichnet ist (sollte der Ausfransen nicht einen höheren Widerstand als das Gerät haben)?
@ Jahlon-Draht hat einen bestimmten Widerstand pro Fuß. Dieser Widerstand basiert jedoch darauf, dass der Draht ganz ist, dh keine gebrochenen Litzen oder Schnitte im Metall. Wenn Sie einen Draht ausfransen, brechen Sie entweder einige dieser dünnen Stränge aus Kupfer oder Aluminium oder was auch immer der Draht besteht. Der Widerstand an der Ausfransung ist dann höher als der Rest des Drahtes. Die Werte in der Zeichnung sind gerade aus dem Kopf. Die relativen Größen hängen von der Wattleistung des Geräts und davon ab, wie stark der Draht ausgefranst ist.
Im Diagramm links beträgt der Widerstand des Drahts (keine Ausfransungen) also 100 Ohm (wenn ich es richtig lese - es heißt "Gerät", vermute ich, dass dies der Widerstand durch den gesamten Stromkreis ist, einschließlich des Länge des Kabels und durch das Gerät). Im Diagramm rechts fließen immer noch 100 Ohm durch den nicht ausgefransten Teil des Drahtes, aber in diesem ausgefransten Teil ist der Widerstand höher (weniger als 100 Ohm, aber hoch für eine so kurze Länge). Die 100 Ohm + 10 Ohm sind also 110 Ohm, was einen Gesamtstrom von 0,909 A ergibt. Ist das korrekt?
@Jahlon Fast. Die Drähte hier gelten als niederohmig genug, um keine Rolle zu spielen (in Wirklichkeit geht im gesamten Kabel selbst etwas Strom verloren, aber für das Fray-Argument hier können Sie das ignorieren). Das Gerät ist Ihre Tischlampe oder was auch immer. Ja, der Rest deiner Aussage ist richtig.
Verstanden ... Eine letzte Sache - wo kommt der Spannungsabfall her? Wird die Spannung "gestohlen", da die ausgefransten Litzen abgeklemmt werden? Wenn es also wie eine Wasserleitung wäre, "leckt" jetzt Wasser aus diesen freien Litzen und verringert den Wasserdruck / die Wasserspannung durch den Rest des Kabels? Und diese Spannung, die jetzt an die Enden der freien Stränge geht, liefert Leistung, die nirgendwo anders hingehen kann, außer Wärme zu erzeugen, die sich in den kleinen Strängen konzentriert (sie heiß macht)? Werden hier die ausgefransten Litzen heiß, die getrennt werden, nicht der Teil des Drahtes, der noch verbunden ist, aber dünner?
@Jahlon Stellen Sie sich Spannung wie Wasserdruck vor. Wenn es einen Schlauch hinunter zu einer "Ladung" fließt, ist der Wasserdruck entlang des Schlauchs ziemlich niedrig und konstant. Wenn Sie auf den Schlauch treten, erzeugen Sie einen Druckabfall im Schlauch, wo Sie ihn eingeschnürt haben. Das stiehlt der Ladung Druck. Dasselbe mit dem Draht. Wo Sie es ausfransen, erzeugen Sie einen Punkt mit höherem Widerstand und damit einen Spannungsabfall (elektrischer Druck).

Mehr Widerstand erzeugt mehr Wärme.

Nein, mehr Leistung ist mehr Wärme.

P = v ICH = ICH 2 R = v 2 R

Bei einer konstanten Spannung, wie den 120 V in Ihren Wänden, verringert eine Erhöhung des Widerstands die Leistung.

Leistung ist Wärme , aber Wärme ist nicht Temperatur. Ein Computer und eine Glühbirne können beide 60 W Wärme erzeugen, aber die Glühbirne ist sehr heiß – so heiß, dass der Glühfaden glüht.

Für Ihren ersten Punkt: Ziemlich richtig, mit der Maßgabe, dass eine 120-V-Steckdose nicht wirklich eine konstante Spannung ist. Es ist Wechselstrom, was bedeutet, dass die Spannung ständig variiert, aber 120 Volt ist im Grunde die durchschnittliche Spannung für jede Zeitskala, die länger als ein kleiner Bruchteil einer Sekunde ist.

Zweiter Punkt zu Geräten: In einigen Fällen (z. B. Motoren) geht es normalerweise eher um Reaktanz als um Widerstand an sich (aber ja, die Grundidee ist im Wesentlichen richtig).

Dritter Punkt zum Widerstand: Nein, es geht nicht einfach darum, dass mehr Widerstand mehr Wärme erzeugt. Tatsächlich ist meistens eher das Gegenteil der Fall – weniger Widerstand führt zu mehr Strom, was zu mehr Wärme führt.

Vielleicht ist es nicht wirklich eine konstante Spannung, aber eine "konstante" 120-V-RMS-Wechselstromversorgung liefert genau die gleiche Leistung an eine rein ohmsche Last wie eine konstante 120-V-Gleichstromversorgung.
@jameslarge: solange Sie es über einen Zeitraum integrieren, der größer als ein kleiner Sekundenbruchteil ist ... :-)
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