줄 가열

전기 토스터에서 나오는 코일형 발열체로, 빨간색에서 노란색으로 변질된 상태를 나타냅니다.

저항성, 저항성 또는 오믹 가열이라고도 하는 줄 가열은 전류가 도체를 통과하는 과정에서 열이 발생하는 과정입니다.

구소련 국가에서는 줄-렌츠 ^[1]법칙으로도 알려진 줄의 제1법칙(Joule's law)은 전기 도체에 의해 발생하는 가열의 힘은 저항의 곱과 전류의 제곱과 동일하다고 명시되어 있습니다.

P=I^{2}R

줄 가열은 한 전기 접점에서 다른 전기 접점으로 열을 전달하는 펠티에 효과와는 달리 전체 전기 도체에 영향을 미칩니다.

역사

제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)은 1840년 12월 왕립학회 회보에 요약된 내용을 처음 발표했는데, 이는 열이 전류에 의해 생성될 수 있다는 것을 암시한다.Joule은 와이어 길이를 고정된 물 덩어리에 담가 30분 동안 와이어를 통해 흐르는 알려진 전류로 인한 온도 상승을 측정했습니다.전류와 와이어 길이를 바꿈으로써 발생하는 열은 전류의 제곱에 침지된 ^[2]와이어의 전기 저항을 곱한 값에 비례한다는 것을 추론했습니다.

1841년과 1842년의 후속 실험에서 발생하는 열의 양은 템플릿을 생성한 볼타성 말뚝에 사용된 화학 에너지에 비례한다는 것이 입증되었습니다.이것은 Joule로 하여금 열의 기계적 이론(그때 지배적 이론)을 지지하기 위해 열량 이론을 거부하게 만들었다.^[2]

저항 가열은 1842년 ^[1]하인리히 렌츠에 의해 독립적으로 연구되었다.

에너지의 SI 단위는 줄(joule)로 명명되었고 기호 J가 지정되었다.일반적으로 알려진 전력 단위인 와트는 초당 1줄에 해당합니다.

현미경적 설명

줄 가열은 전하 캐리어(일반적으로 전자)와 도체 본체 간의 상호작용에 의해 발생합니다.

도체의 두 점 사이의 전위차(전압)는 전하 캐리어를 전기장 방향으로 가속시키는 전계를 만들어 운동에너지를 제공한다.하전된 입자가 도체의 준입자와 충돌할 때(즉, 결정의 조화적 근사에서의 이온 격자 진동), 에너지는 전자에서 격자로 전달된다(추가 격자 진동 생성).이온의 진동은 일반적인 실험에서 측정하는 방사선("열 에너지")의 근원입니다.

전력 손실 및 노이즈

줄 가열은 옴의 법칙과 관련이 있기 때문에 옴 가열 또는 저항 가열이라고 합니다.이는 전기 가열과 관련된 많은 실용적 적용의 기초를 형성합니다.그러나 가열이 전류 사용의 원치 않는 부산물인 애플리케이션(예: 전기 변압기의 부하 손실)에서 에너지 전환은 종종 저항성 손실이라고 한다.전력전송시스템에서 고전압을 사용하는 것은 비교적 낮은 전류로 동작함으로써 케이블의 손실을 줄이기 위해 특별히 설계되어 있습니다.영국 가정에서 사용되는 링 회로 또는 링 주전원은 낮은 전류(와이어당, 병렬로 2개의 경로를 사용하여)의 콘센트에 전력을 공급하여 와이어의 줄 발열을 감소시키는 또 다른 예입니다.줄 가열은 초전도 상태에서는 전기 저항이 0이기 때문에 초전도 물질에서는 발생하지 않습니다.

저항기는 존슨 나이키스트 노이즈라고 불리는 전기 노이즈를 생성합니다.존슨-나이키스트 노이즈와 줄 가열 사이에는 변동-방산 정리에 의해 설명되는 밀접한 관계가 있다.

수식

직류

줄 난방에서 가장 기본적인 공식은 일반화 전력 방정식입니다.

({displaystyle P=I(V_{A}-V_{B})}

어디에

$(\displaystyle$ P $)$ 는 $P$ 전기 에너지에서 열 에너지로 변환되는 전력(단위 시간당 에너지)입니다.
$\displaystyle$ I은 $I$ 저항기 또는 다른 소자를 통해 흐르는 전류입니다.
$V_{A}-V_{B}$ A $V_{A}-V_{B}$ - $V_{A}-V_{B}$ B $({$ V_ ${A}-V_{B})$ 는 $V_{A}-V_{B}$ 소자의 전압 강하입니다.

이 공식( $P=IV$ $P=IV$ $P=IV$ V { $displaystyle$ P $=IV$ 의 설명은 다음과 같습니다.^[3]

(단위 시간당 소비되는 에너지) = (단위 시간당 저항을 통과하는 전하) × (저항을 통과하는 전하당 소비되는 에너지)

소자가 완벽한 저항으로 작동하고 전원이 열로 완전히 변환된다고 가정하면, 옴의 법칙 $V=IR$ $=$ $V=IR$ R $(\displaystyle$ V=)을 대체하여 공식을 다시 작성할 수 있습니다. $IR$ 일반화 전력 방정식:

P=}IV=I^{2}R=V^{2}/R

여기서 R은 저항입니다.

교류

AC 회로와 같이 전류가 변화하면

P(t)=U(t)I(t)

여기서 t는 시간이고 P는 전기 에너지에서 열로 변환되는 순간 전력입니다.평균 전력이 순간 전력보다 훨씬 더 중요한 경우가 많습니다.

P_{\rm {avg}}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}}=I_{\text{rms}}^{2}R=U_{\text{rms}}^{2}/R

여기서 "avg"는 하나 이상의 사이클에 걸친 평균(평균)을 나타내며, "평균"은 루트 평균 제곱을 나타냅니다.

이러한 공식은 리액턴스가 0인 이상적인 저항기에 유효합니다.리액턴스가 0이 아닌 경우 공식이 수정됩니다.

P_{\rm {avg}}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}\cos \phi=I_{\text{rms}^2}\operatorname {Re}(Z)=U_{\text{rms}}^{2}\operatorname {Re}(Y^{*})

여기서 $\phi$ {{ $displaystyle \phi}$ 는 $\phi$ 전류와 전압의 위상차, $\operatorname {Re}$ {\ $displaystyle$ \ $operatorname$ {Re $}}$ 는 $\operatorname {Re}$ 실부분, Z는 복소 임피던스, Y*는 어드미턴스의 복소 공역(1/Z*와 동일)을 의미합니다.

리액티브 케이스의 상세한 것에 대하여는, 「AC전원」을 참조해 주세요.

미분 형식

줄 가열은 공간의 특정 위치에서 계산할 수도 있습니다.줄 가열 방정식의 미분 형식은 단위 부피당 전력을 제공합니다.

{\frac {d} {\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E

여기서 J $(\$ 는 $\mathbf {J}$ 전류 밀도이고 E $(\$ 는 $\mathbf {E}$ 전계입니다. $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$ ${\$ { $displaystyle$ \ $displaybf$ $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$ { J } $\sigma$ $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$ \ $displaystyle$ \ $mathbf$ { J } = \ $displaystyle$ \ $mathbf$ { $E$ } $。$

{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J}\mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} \rho =mathbac {1}{\mathbf}J^2}

여기서 $\rho =1/\sigma$ $\rho =1/\sigma$ / $\rho =1/\sigma$ \ $rho =$ 1/\ $display}$ 은 $\rho =1/\sigma$ 저항률입니다.이는 거시적 형태의 " $I^{2}R$ $I^{2}R$ R $\displaystyle$ I $^{2}R$ 용어와 직접 유사합니다.

모든 필드량이 $e^{-\mathrm {i} \omega t}$ 각 $\omega$ 에 $e^{-\mathrm {i} \omega t}$ $달라지는$ 고조파에서는 $일반적$ 으로 복소수 ${\hat {\mathbf {J} }}$ J $^$ ^ $\omega$ ^ ${-\mathrm {i}$ \ $mathbf$ {} ^ $display$ style ${\mathbf$ {J $}}$ ${\hat {\mathbf {E} }}$ display $style$ {\ $mathbf$ { $E$ }} ${\hat {\mathbf {E} }}$ $\omega$ style ${\$ mathbf ${\mathbf$ { $e^{-\mathrm {i} \omega t}$ ${\hat {\mathbf {E} }}$ $e^{-\mathrm {i} \omega t}$ ${\hat {\mathbf {E} }}$ } } $^$ display style이 도입됩니다.전류 밀도와 전계 강도 각각에 대한 것입니다.그러면 줄 난방은 다음을 읽습니다.

{\mathrm {d} {\mathrm {d} = cdot {\mathbf {J} } {{*} = cdfrac {1} {2}} {\hat {\mathbf {J} } {\mathbf} {\cd

여기서

∙({

\

displaystyle ^{*})

은

\bullet ^{*}

복합공역형을 나타냅니다.

고전압 교류전송전

가공 송전선로는 전력 생산자에서 소비자에게 전기 에너지를 전달합니다.이러한 전력선은 저항이 0이 아니므로 전송 손실을 일으키는 줄 가열에 노출됩니다.

변속기 손실(변속기 라인의 줄 가열)과 부하(소비 장치로 전달되는 유용한 에너지) 사이의 전력 분배는 분압기로 근사할 수 있습니다.전송 손실을 최소화하기 위해 회선의 저항은 부하(소비 가전제품의 저항)에 비해 가능한 작게 해야 합니다.구리 도체를 사용하면 라인 저항이 최소화되지만 가전제품의 저항 및 전원 사양은 고정되어 있습니다.

보통 변압기는 회선과 소비 사이에 배치됩니다.1차 회로(트랜스 전)의 고전압, 저강도 전류를 2차 회로(트랜스 후)의 저전압, 고강도 전류로 변환하면 2차 회로의 등가 저항이 높아지고^[4] 그에 비례하여 전송 손실이 감소합니다.

전류 전쟁 중에 AC 설비는 DC 설비에 비해 전송로의 전압이 높아서 줄 가열에 의한 선로 손실을 줄이기 위해 변압기를 사용할 수 있었다.

적용들

줄 가열 또는 저항 가열은 여러 장치 및 산업 공정에서 사용됩니다.전기를 열로 바꾸는 부분을 발열체라고 한다.

다음과 같은 실용적인 용도가 있습니다.

백열전구는 필라멘트가 열방사선(흑체방사선이라고도 함)으로 인해 줄 가열될 때 빛납니다.
전기 퓨즈는 안전 장치로 사용되며, 퓨즈를 녹일 수 있을 만큼 전류가 흐를 경우 용해하여 회로를 차단합니다.
전자담배는 줄 가열에 의해 프로필렌 글리콜과 식물성 글리세린을 증발시킨다.
전기 스토브, 전기 히터, 납땜 다리미, 카트리지 히터와 같은 여러 가열 장치가 줄 난방 기능을 사용합니다.
일부 식품 가공 장비는 줄 가열 방식을 사용할 수 있습니다. 식품 재료(전기 저항기 역할을 하는 물질)에 전류가 흐르면 ^[5]식품 내부에서 열이 방출됩니다.음식물의 저항과 결합된 교류 전류는 열을 ^[6]발생시킵니다.저항이 높을수록 발생하는 열이 증가합니다.오믹 가열은 식품을 빠르고 균일하게 가열하여 품질을 유지합니다.미립자가 있는 제품은 저항이 ^[7]높기 때문에 (기존 열처리에 비해) 더 빨리 가열됩니다.

식품 가공

줄 가열은 식품을 ^[8]통해 50-60Hz의 교류 전류를 흘리는 순간 저온 살균(HTST)이다.열은 음식의 전기 ^[8]저항을 통해 발생합니다.제품이 가열됨에 따라 전기 전도율이 ^[6]선형적으로 증가합니다.전류 주파수가 ^[8]높을수록 산화 및 금속 오염을 줄일 수 있으므로 가장 좋습니다.이 가열법은 높은 저항성 ^[7]^[8]때문에 약한 소금 함유 매체에 부유된 미립자를 함유한 식품에 가장 적합합니다.

재료 합성, 회수 및 가공

플래시 줄 가열(일시 고온 전열 가열)은 그래핀과 다이아몬드를 포함한 탄소 동소체를 합성하는 데 사용되어 왔다.다양한 고체 탄소 공급원료(카본 블랙, 석탄, 커피 분쇄 등)를 3000K 이하의 온도로 10~150밀리초 동안 가열하면 터보스트래틱 그래핀 ^[9]플레이크가 생성된다.FJH는 또한 산업 ^[10]^[11]폐기물로부터 현대 전자제품에 사용되는 희토류 원소를 회수하는 데 사용되어 왔다.불소화탄소원을 시작으로 불소화활성탄, 불소화나노다이아몬드, 동심탄소(나노다이아몬드 코어 주위의 탄소껍질) 및 불소화플래시그래핀을 ^[12]^[13]합성할 수 있다.

줄 난방 응용 프로그램

빛을 발하는 백열전구의 필라멘트
전구의 적외선 열화상
주사 전자 현미경으로 확대된 전구 필라멘트
30kW 저항 가열 코일
전기 복사 난방기
소형 가정용 침지 히터, 500W
에스프레소 머신의 접힌 관형 발열체
따뜻한 온도에서의 반응에 사용되는 실험실 수조
전동 테이블 상판 핫플레이트
고온에서의 반응에 사용되는 실험실용 열판
옷의 주름 제거에 사용하는 다리미
납땜용 다리미, 전자작업에서 납땜을 녹이는 데 사용
방 난방에 사용하는 휴대용 팬 히터
헤어드라이어로 열풍 발생
카트리지 히터가 붉게 타오릅니다.
전도성 고무제 플렉시블 PTC 히터

난방 효율

열은 내부 에너지 또는 열과 밀접하게 연결되어 있지만 별개의 물리적 양인 동의어 열 에너지와 혼동되지 않습니다.

가열 기술로서 줄 난방은 1.0의 성능 계수를 가지며, 이는 공급되는 전기 에너지 1줄당 1줄의 열이 발생함을 의미합니다.반면 열 펌프는 환경에서 가열된 품목으로 추가 열에너지를 이동시키기 때문에 계수가 1.0을 초과할 수 있습니다.

가열 프로세스의 효율의 정의에는 고려해야 할 시스템의 경계를 정의할 필요가 있습니다.건물을 난방할 때, 고객측에서 전달되는 전기에너지의 단위당 난방효과는 발전소의 손실과 송전을 고려할 때 전체적인 효율에 비해 다르다.

유압 등가물

지하수 흐름의 에너지 균형에서는 Joule의 법칙과 동등한 유압이 사용됩니다.^[14]

{\displaystyle\frac {dE}{dx}=flac {v_{x}{2}}{K}}

여기서:

$dE/dx$ E / $dE/dx$ $dE/dx$ ( \ $displaystyle dE$ / $dx$ ) = $dE/dx$ x( \ $displaystyle$ x ) $x$ 의 $x$ 흐름 마찰로 인한 유압 에너지 $손실$ (\ displaystyle E $E$ ) - 단위 $시간$ (m/ $day$ ) -P { $displaystyle$ P}에 필적합니다.
$v_{x}$ x {\ $displaystyle$ v_ ${x$ } = $v_{x}$ x{\ $displaystyle$ x $}$ 방향 $x$ (m/day)의 $유속$ –I {\ $displaystyle$ I $}$ 에 필적
K $(\displaystyle$ K $)$ = $K$ 토양의 유압 전도율(m/day) – 유압 전도율은 R $(\displaystyle$ R $)$ 에 비해 유압 저항에 반비례합니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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