「知識拓展」電熱器的發熱體為什麼要用電阻率大的合金絲

2021-01-08 跟我一起學物理

細心的同學們可能會發現,很多電熱器的發熱體是由一根很長的電熱絲做成的,多數電熱絲還是繞在陶瓷管上。這個電熱絲特點呢?

電熱器的發熱體是由熔點高、電阻率大的合金絲繞在絕緣材料上製成的。要求合金絲熔點高比較容易理解,但為什麼又要求合會絲電阻率大呢?

有人這樣解釋,根據焦耳定律公式Q=I↑2Rt,電流產生的熱量和電阻成正比,電阻率大電阻就大,發熱體產生的熱量就多。這種解釋是不正確的。

其一,電阻率大的導體電阻不一定就大,電熱器的額定電壓、額定功率一經確定,無論選用何種材料其總電阻都應是相同的;

其二,只有在電流強度相同、通電時間相同時,電阻越大、電流產生熱量才越多,而電熱器一般是在一定電壓下工作的,根據Q=(U↑2/R)t可知,在相同的時間內,電阻越大,電流產生的熱量反而越少,如果單從發熱體發熱多少來考慮,採用什麼材料來製作發熱體都行。但是,選用電熱材料還要考慮到發熱體的溫度和使用壽命等問題。

電熱絲一般是由鐵鉻鋁合金絲或鎳鉻合金絲製成的,它們的電阻率大,可以根據需要繞製成大小適中的發熱體。在發熱體功率一定時,單位長度的電熱絲可產生較大的熱功率,能達到較高的溫度。而如果用電阻率小的、截面相同的鐵絲繞制,發熱體要產生相同的熱功率,鐵絲的長度應是合金絲的十多倍。如要鐵絲長度和合金絲相同,以致單位長度內鐵絲髮熱功率太小而無法達到所需的溫度,則必須要用低電壓大電流的調壓裝置,這顯然是不方便的。

當然,要使鐵絲長度不變,還可以使鐵絲的截面變為合金絲的十幾分之一,但這樣一來,電熱絲的表面負荷就要大大增加,使用壽命就要大大縮短。大部分純金屬電熱絲必須在保護氣體(真空、惰性氣體、氫氣等)中使用,以防止氧化(如白熾電燈治裡的鎢絲),這對一般的電熱器是不適宜的。而使用電阻率大的合金絲,可以增加電熱絲的截面,降低電熱絲的表面負荷,增加有效輻射面積。大大延長電熱器的使用時間。

另外,選用電熱絲材料還要考慮:有較小的溫度係數,保證發熱功率的穩定;抗氧化性能強,耐腐蝕性能好,在不同的環境中有足夠的使用壽命;有良好的加工性質;有足夠的高溫強度等等,而鐵絡鋁合金絲和鎳鉻合金絲是容易滿足這些要求的。

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