Keramikas sildītāji Keramikas sildītāji Zinātniskie principi

Kas ir keramikas sildītāji?

Keramikas sildītāju zinātne: keramikas sildītāji ir elektriski sildītāji, kas izmanto pozitīvu temperatūras koeficientu (PTC) keramikas sildīšanas elementu, lai radītu siltumu, izmantojot pretestības sildīšanas principu. Keramikas materiāliem ir pietiekama elektriskā pretestība un siltumvadītspēja, lai radītu un veiktu siltumu, kad caur tiem plūst elektriskā strāva. Tie ir arī spēcīgi un izturīgi, padarot tos ideālus izmantošanai kā sildīšanas elementiem. Kamēr keramikas sildītāja sildīšanas elements ir izgatavots no tīra keramikas materiāla, vairums ir kompozītmateriāli, kas iekapsulēti ar metālu un keramiku. Keramika šajos pēdējos materiālos darbojas kā izolators, vienlaikus veicot arī siltumu apkārtējai videi, samazinot siltuma un enerģijas zudumus, kas saistīti ar neizolētu pretestības stiepli.

Keramikas sildītāji tiek izmantoti visdažādākajās nozarēs, piemēram, žāvē, vārot, veidot un kūstot produktus. Keramikas sildītāji tiek plaši izmantoti telpas sildīšanā, nodrošinot ātru, drošu un tīru siltuma avotu.

Keramikas sildītāju zinātne
Lai izprastu svarīgos zinātniskos principus, kas iesaistīti keramikas sildītāju projektēšanā un darbībā, mums vispirms ir jārisina pretestības apkures jautājums. Kā jau minēts iepriekš, keramikas sildītāji darbojas, izmantojot pretestības apkures principu, kas pazīstams arī kā Joule vai Ohm apkure. Pretestības sildīšana ir parādība, kurā karstums rodas pretestības zudumu dēļ, kad elektriskā strāva iet caur materiālu. Tas pārvērš elektrisko enerģiju siltumā. Šī konvertēšana ir labvēlīga elektriskajiem sildītājiem, jo ​​pretestības zudumi palielina to efektivitāti. Tomēr šis efekts nav vēlams noteiktās situācijās, piemēram, enerģijas pārvadē un izplatīšanā, kā arī darbībā lielākajā daļā elektronisko ierīču un aprīkojuma veidu.

JOULE pirmais likums jeb JoUle - Lenz likums matemātiski parāda saistību starp radīto siltuma enerģiju un ieejas elektriskajiem parametriem. Šis likums nosaka, ka siltuma daudzums laika vienībā vai sildīšanas jauda (P) ir proporcionāla strāvas (i) un pretestības kvadrāts (R), kas izteikts kā matemātiskais vienādojums: p=i²r.

Pretestības sildīšana molekulārā līmenī
Pretestības sildīšanu var izskaidrot, novērojot, kas notiek materiālā strāvas plūsmas laikā molekulārā līmenī.

Ja pastāv potenciāla atšķirība starp diviem vadītāja punktiem, tiek izveidots elektriskais lauks, paātrinot brīvos elektronus tā attālākajos čaumalās, pārvietojoties starp atomiem, tādējādi nodrošinot šiem elektroniem ar kinētisko enerģiju. Elektroni pārvietojas no lielāka potenciāla punkta līdz zemāka potenciāla punktam. Elektronu plūsmas ātrums ir pazīstams kā strāva, kas ir pamatelektriskais parametrs. Strāva ir tieši proporcionāla spriegumam (v), potenciālā starpība starp diviem punktiem un apgriezti proporcionāla pretestībai; Šīs attiecības izsaka ar matemātisko vienādojumu: i=v/r.

Kad šie elektroni plūst uz zemāka potenciāla punktu, tie saduras ar atomiem, citiem elektroniem un piemaisījumiem, kas veido materiālu, izraisot molekulu vibrāciju. Turklāt ir pretēji spēki, kas pretojas elektronu plūsmai. Šīs sadursmes un pretējie spēki rada berzi, kad elektroni virzās uz zemāku potenciālu. Lai pārvarētu šo berzi, elektroniem jāveic darbs, pamatojoties uz materiāla radīto siltumu. Materiāla (vai sildīšanas elementu šajā kontekstā) radīto siltumu izmanto, lai paaugstinātu apkārtējo objektu temperatūru.

Pretestības ārējās īpašības
Pretestība ir materiāla ārēja īpašība; Tas attiecas uz spēku, kas iebilst pret strāvas vai elektronu plūsmu. Kā ārējs īpašums tas ir atkarīgs no materiāla (a) daļas garuma (l) un šķērsošanas - sekcijas laukuma (a), un to var aprēķināt kā r=ρl/a. Šajā vienādojumā ρ ir pretestība, iekšējā īpašība, kas mainās atkarībā no materiāla temperatūras.

Izņemot supravadītājus, visiem materiāliem ir zināma elektriskā pretestība. Lai materiāls tiktu klasificēts kā labs apkures elements, tam jābūt pietiekamai iekšējai pretestībai. Materiāli ar augstāku pretestību efektīvāk kavē strāvas plūsmu un rada lielāku siltumu. Tomēr materiāla izturībai, kas darbojas kā izolators, nevajadzētu būt ļoti augstai.
Siltuma pārneses mehānismi
Keramikas sildītāji pārnes siltumu uz apkārtējo vidi, izmantojot vadīšanas, konvekcijas vai starojuma palīdzību. Vadīšanas siltuma pārnešana ietver siltuma pārnesi starp diviem kontakta objektiem. Konvekcijas siltuma pārnešana ietver siltuma pārnesi starp diviem šķidrumiem (šķidrumiem vai gāzēm). Konvekcijas telpas sildītājā gaiss plūst virs karstā keramikas sildīšanas elementa, paaugstinot apkārtējās vides temperatūru. Visbeidzot, starojuma siltuma pārnesē siltuma enerģija tiek izstarota tieši tuvējiem objektiem vai cilvēkiem, izmantojot elektromagnētisko starojumu.

Pozitīva temperatūras koeficients
Pretestība un pretestība mainās atkarībā no temperatūras. Ja materiāla pretestība palielinās, paaugstinoties temperatūrai, tam ir pozitīvs temperatūras koeficients. Keramikai, kas ir pusvadītāju materiāli, ir pozitīvs temperatūras koeficients.

Kad keramikas sildīšanas elementa temperatūra palielinās līdz tā noteiktajam temperatūrai, jo ir strāvas uzsūkšanās, pretestība palielinās līdz bezgalībai, pārtraucot strāvas plūsmu un siltuma veidošanos. Iestatītā punkta temperatūra ir atkarīga no keramikas sastāva. Tāpēc keramikas sildītāji var pielāgoties apkārtējā temperatūrai un radīt mazāk siltuma siltākā vidē. Tie nodrošina pietiekami daudz siltuma, pārmērīgi paaugstinot apkārtējo temperatūru. Tāpēc keramikas sildītāji ir sevi - regulēšana - īpašums, kas nav atrodams metāla sildīšanas elementos. Šis pats - Regulēšana dabā padara tos drošākus darboties.