Opwarming elektrische draad

[Complexe Fred]

Beste,
 
Wanneer er een stroom vloeit door een dunne metalen draad (dun genoeg zodat hij als een weerstand kan worden gezien), zal deze beginnen opwarmen. Echter wat ik niet begrijp is dat de draad in het midden begint op te warmen, en daar ook het warmste wordt. 
 
Ik zie niet meteen wat hiervan de oorzaak kan zijn... Wanneer er stroom door het draadje vloeit zullen de elektronen toch overal in de draad evenveel hinder ervaren? Dus komt er overal evenveel energie vrij (lijkt mij). En wordt de draad dus overal even warm...
 
Iemand die weet wat er fout is met mijn redenering?
 
Alvast bedankt!

[Michel Uphoff]

Kijk eens naar een straalkacheltje. Dat is in principe een lange weerstandsdraad. Zie jij die alleen in het midden heet worden en gloeien? Een kort draadje kan inderdaad alleen in het midden gloeien, maar dat is omdat aan de zijkanten warmte wegvloeit naar de klemmen die de draad van stroom voorzien.

In principe gloeien gelijkmatig gemaakte draden over hun hele lengte even sterk, tenzij er iets plaatselijk de draad koelt.

[rwwh]

Michel heeft al het weglekken van warmte naar de klemmen genoemd. Bij een dicht gewikkelde gloeidraad geldt nog een tweede effect: de middelste wikkeling krijgt ook de warmte van de uitstraling van de wikkelingen ernaast, en wordt daardoor extra warm.

[Anton_v_U]

Dat tweede effect lijkt me geen verklaring, in tegendeel:  
 
De wikkelingen ernaast ontvangen meer warmte van de middelste wikkelingen dan de middelste van de wikkelingen ernaast ontvangen omdat de middelste wikkelingen warmer zijn. De warmtestroom door geleiding loopt altijd tegen de temperatuurgradiënt in.
 
De warmte stroomt aan de randen weg doordat daar een betere warmtegeleiding is. En het kan in de dunne wikkelingen moeilijker wegstromen. De warmteontwikkeling per lengteeenheid is in de dunne draad overal (ongeveer) gelijk.
 
De verklaring van Michel lijkt mij afdoende.

[rwwh]

Bij het ontwerpen van een gloeidraad (ja, ik heb in industriële r&d gewerkt waar dat werd gedaan) moet wel degelijk rekening worden gehouden met de stralingsverliezen van de wikkelingen, die in het midden bij gelijke temperatuur lager zouden zijn. Juist vanwege instraling wordt de middelste wikkeling warmer, want uiteindelijk moet elke wikkeling evenveel warmte verliezen. Alleen de allerbuitenste wikkelingen verliezen significant warmte door geleiding naar de pootjes.

Bedenk dat stralingsverliezen met T^4 gaan, en geleidingsverliezen slechts lineair met een temperatuurverschil.

[rwwh]

Laat ik wel even relativeren dat dit dus vooral een rol speelt bij temperaturen ver boven de 1000 graden.

[Anton_v_U]

Interessant en verrassend!
 
Maar ik begrijp het niet. Waarom zijn de stralingsverliezen in het midden bij gelijke temperatuur lager? En ik zou denken dat warmere regio's meer warmte stralen die wordt geabsorbeerd in aangrenzende koelere regio's dan andersom, zelfde idee als bij geleiding dus: warmtestroom tegen de remperatuurgradiënt in.
 
Waar gaat deze redenering mank?

[rwwh]

De draad is een zwarte straler, dus het verlies aan energie is evenredig met T^4. Als alle wikkelingen op een hypothetisch tijdpunt dezelfde temperatuur hebben, dan verliezen alle wikkelingen evenveel straling, maar de wikkelingen die aan beide kanten een andere wikkeling hebben zitten worden juist meer "aangestraald" en krijgen zo warmte terug. Zo worden de buitenste wikkelingen kouder dan de rest. En zelfs als die een klein beetje afkoelen zullen ze heel veel minder gaan stralen, en dus ook de wikkeling ernaast veel minder aanstralen. Zo ontstaat vanzelf een profiel waar de middelste wikkeling het meest wordt aangestraald omdat die aan beide kanten een bijna net zo hete wikkeling ziet.

[Michel Uphoff]

Is dat effect wel zichtbaar bij bijvoorbeeld een normale gloeilamp? Mij is het nooit opgevallen.

Dat 'aanstralingseffect' zal bij een rechte draad naar ik aanneem zeer gering zijn.

[rwwh]

Ik weet niet hoe zichtbaar het is. Het oog is niet erg gevoelig voor sterkteverschillen.

Een rechte draad heeft dit niet, inderdaad alleen een draad die zichzelf kan "zien"