¿Por qué los cables de conexión que se utilizan para conectar los calentadores no se calientan por la conducción de calor del elemento calefactor?

Su afirmación introductoria es inexacta.

  • Para la mayoría de los metales, existe una relación clara entre la conductividad eléctrica y térmica.
  • Para aisladores eléctricos, la conducción de calor está mediada por fonones (cuasipartículas de vibración reticular).
  • En los semiconductores, según su tipo, la conducción eléctrica está mediada por electrones u orificios, según el tipo de semiconductor. La conducción de calor estaría mediada por electrones o agujeros y fonones.

Para los metales, la relación entre conductividad eléctrica y térmica está dada aproximadamente por la ley de Wiedemann-Franz. La mayoría de los metales son buenos conductores eléctricos debido a los electrones de valencia en la capa externa de sus átomos que son libres de moverse. (El tungsteno es una excepción. Los portadores de carga en el tungsteno son “agujeros”.) Los conductores metálicos más efectivos tienen electrones de valencia individuales que son libres de moverse una gran distancia sin chocar con átomos estacionarios (“núcleos de iones”) del metal. La estructura electrónica de cobre, plata y oro se ilustra a continuación.

Los semiconductores como el silicio y el germanio tienen un mayor número de electrones de valencia.

La distancia promedio que puede recorrer un electrón sin chocar es el “camino libre medio”. Otro factor es importante, la velocidad térmica de los electrones, es decir, los movimientos aleatorios de los electrones debido al calor.

Cuanto mayor sea el camino libre medio, mayor será la conductividad eléctrica. Pero los movimientos electrónicos aleatorios debido al calor reducen la conductividad eléctrica. Por lo tanto, la conductividad eléctrica es directamente proporcional a la trayectoria libre media e inversamente proporcional a la velocidad térmica.

La conductividad térmica sigue un conjunto diferente de reglas. La conductividad térmica es directamente proporcional tanto a la trayectoria libre media como a la velocidad térmica.

Por lo tanto, la relación de conductividad térmica a eléctrica es proporcional al cuadrado de la velocidad térmica, que es proporcional a la temperatura T.

Ley de Wiedemann-Franz: (aplicable a los metales) Dada la constante k de Boltzmann y la carga de electrones e, la relación de conductividad térmica a eléctrica es [matemática] (\ pi ^ 2/3) (k / e) ^ 2 T [/ matemáticas]

En los no metales, la conductividad térmica está mediada principalmente por vibraciones reticulares (fonones). Por encima de cierta temperatura crítica, la temperatura de Debye, la trayectoria libre media de los fonones no varía mucho con la temperatura, por lo que la conductividad térmica de los no metales es aproximadamente constante a altas temperaturas. A bajas temperaturas, la dispersión del portador hace que disminuya la conductividad térmica y la capacidad calorífica.

En los sólidos, las conductividades térmicas más altas se muestran por el diamante y el grafeno, dos alótropos de carbono con propiedades marcadamente diferentes. El diamante es un aislante, mientras que el grafeno es un semiconductor de espacio cero. La conducción térmica está dominada por fonones. Las propiedades del grafeno son altamente anisotrópicas. Otro alótropo de carbono, el grafito, también muestra una conductividad térmica anisotrópica que en el plano basal es comparable a la conductividad térmica de la plata o el diamante.

Con respecto a la pregunta original, los cables que se conectan a los elementos calefactores se calientan, pero la aleación de nicromo utilizada para los elementos calefactores es un conductor de calor relativamente pobre, mientras que los cables de conexión son buenos conductores, por lo que se pasa una cantidad relativamente limitada de calor. a los cables de conexión, que rápidamente alejan el calor y lo irradian.

En la siguiente fotografía, el fondo de la tira de calentamiento donde se enrolla alrededor del soporte de cerámica es notablemente más frío que el resto de la tira, a pesar de que el soporte de cerámica no es particularmente conductor del calor.

Fuente: El arte de la ciencia

La cuestión de su pregunta es inexacta …

El diamante es uno de los mejores conductores térmicos y uno de los peores conductores eléctricos.

Los cables utilizados para producir el calor, generalmente una aleación de níquel cromo, no son buenos conductores eléctricos ni buenos conductores térmicos. Cuando se unen a los cables conductores, notará que los cables calefactores no son rojos como el resto del cable calefactor, ya que el calor es retirado por los cables conductores de cobre, lo que reduce la temperatura local y la resistencia, disminuyendo así la calor producido en ese punto.

Los cables conductores pueden ser buenos conductores térmicos, pero también son buenos radiadores, por lo que cualquier calor absorbido generalmente se irradia antes de viajar muy lejos por el cable.

Por lo general lo hacen. Los cables que salen de los elementos calefactores tienen material de protección térmica a su alrededor en lugar de plástico. Estos cables protegidos son lo suficientemente largos como para que no exista riesgo ni que se derrita nada cuando llegue al final del cable y lo conecte a la fuente de alimentación.

Vivacidad

Lo hacen, pero en una cantidad mucho menor.

La regla es que el cable se calentará por la cantidad de energía que consume.

Los cables calefactores tienen una resistencia eléctrica diferente a los cables de conexión.

Los cables de conexión suelen tener una resistencia mucho más baja y, por lo tanto, consumen mucha menos energía para conducir electricidad a través de ellos.

Curiosamente, si la resistencia de los cables de conexión es mucho mayor o mucho menor que los cables emisores de calor, la cantidad de calor que emiten será menor.
Pero esa observación es académica, más interesante desde un punto de vista teórico, ya que si los cables de conexión fueran de muy alta resistencia, los cables de calefacción no tendrían suficiente electricidad a través de ellos para emitir cantidades útiles de calor.

Ellos lo hacen

Sin embargo, no lo suficientemente caliente como para ser un problema. Mira aquí:

La respuesta de Brian C McCalla a ¿Por qué los cables de conexión que se utilizan para conectar los calentadores no se calientan por la conducción de calor del elemento calefactor?

Conducen el calor lejos del elemento calefactor. ¿Por qué no lo crees así? ¿Solo porque no se calientan mucho?

Con el calor conducido desde el elemento calefactor, algunos se conducen más lejos; otros se disipan en los alrededores … El elemento calefactor también está haciendo más o menos lo mismo … disipando calor en el ambiente en el que se encuentra, como calentar la superficie de un pedazo de pan … algunos por convección, otros por radiación.

Ellas hacen. Es por eso que están envueltos en un material aislante en lugar de dejarse como el alambre normal. Debido a que son un cable, su mayor nivel de conductancia les permite disipar el calor más fácilmente también. El cable no está soldado al elemento calefactor, sino que está físicamente empalmado. Hay mucha ingeniería detrás del concepto de que hace calor así.

Debido a que los cables de conexión que transportan electricidad no están conectados directamente a la bobina de Nicrome, habrá un intercambio intermedio que conecta ambos.

Este ‘intermedio’ está cubierto totalmente con un material de aislamiento térmico que no permite que el calor se extienda demasiado.

Por lo tanto, no habrá ningún problema de fusión de los cables debido al enorme calor liberado del elemento calefactor, es decir, la bobina de nicromo.

Incluso los mejores conductores térmicos no conducen el calor lo suficientemente bien como para llevar el calor muy lejos. Si necesita conducir calor a distancia, debe hacerlo un fluido o gas en movimiento. El calor de las calderas se conduce a los radiadores por agua caliente movida por bombas o convección, o por vapor.

Los conductores de cobre no pueden mover el calor ni siquiera unas pocas pulgadas. Para eso, necesita un “tubo de calor”, que utiliza un fluido / vapor de cambio de fase.

Heatpipe: ¿qué son y cómo los usa?

El cable del elemento calefactor es diferente de la interconexión y el cableado de la red. Los elementos calefactores, también conocidos como nicromo, tienen una resistencia relativamente alta, y se espera que se calienten y no estén aislados eléctricamente, sino que están provistos de estructuras refractarias y de soporte a altas temperaturas. El cableado de interconexión y las conexiones a la red eléctrica son de baja resistencia, cables de gran calibre que no se calientan, pero también están aislados eléctricamente con materiales para soportar temperaturas elevadas debido a una corriente más alta.

Lo hacen, hasta cierto punto.

Parte del diseño de los calentadores eléctricos siempre intentará limitar el daño hecho de esa manera, utilizando una tira de acero para soportar los elementos de reunión, o coletas especiales desde los elementos de la tostadora hasta la cerradura del terminal para el cable con núcleo de cobre.

Se calientan, pero por lo general arrojan ese calor antes de llegar a un punto donde pueden ser tocados.

Los elementos de calentamiento en sí mismos son conductores relativamente pobres de electricidad y calor. Por eso se calientan tanto: tienen una alta resistencia a la corriente eléctrica. Por lo tanto, el calor llega a los cables de alimentación, pero debido a que los elementos no son buenos conductores, no se transporta tanto calor de esa manera, y los cables de alimentación pueden disiparlo razonablemente rápido.

Lo harán hasta cierto punto. Sin embargo, el calor viaja al elegir la ruta de resistencia térmica más baja. Los alambres delgados tienen una resistencia térmica más alta que el elemento de calentamiento normal (mucha superficie) al aire, tal vez usando ventiladores para conducirlo aún más rápido.

Ellas hacen. Estos cables están aislados por aislamiento con una clasificación de temperatura más alta de lo normal. Algunas aplicaciones usan fibra de vidrio para aislar los conductores.

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