Keramikheizungen Keramikheizungen wissenschaftliche Prinzipien

Was sind Keramikheizungen?

Die Wissenschaft von Keramikheizungen: Keramikheizungen sind elektrische Heizungen, die ein keramisches Erwärmungselement (positives Temperaturkoeffizient) verwenden, um durch das Prinzip der Widerstandserwärmung Wärme zu erzeugen. Keramikmaterialien haben einen ausreichenden elektrischen Widerstand und eine thermische Leitfähigkeit, um Wärme zu erzeugen und zu leiten, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Sie sind auch stark und langlebig, was sie ideal für den Einsatz als Heizelemente macht. Während das Heizelement einer Keramikheizung aus reinem Keramikmaterial besteht, sind die meisten mit Metall und Keramik zusammengesetzten Verbundwerkstoffe. Die Keramik in diesen letztgenannten Materialien wirkt als Isolator und führt gleichzeitig Wärme in die Umgebung durch und minimiert die mit nicht iinsulierten Widerstandsdraht verbundenen Wärme- und Energieverluste.

Keramikheizungen werden in einer Vielzahl von Branchen wie Trocknung, Kochen, Formteilen und Schmelzprodukten verwendet. Keramikheizungen werden bei der Weltraumheizung weit verbreitet und bieten eine schnelle, sichere und saubere Wärmequelle.

Die Wissenschaft der Keramikheizungen
Um die wichtigen wissenschaftlichen Prinzipien zu verstehen, die an der Gestaltung und dem Betrieb von Keramikheizungen verbunden sind, müssen wir zunächst das Problem der Widerstandsheizung angehen. Wie bereits erwähnt, arbeiten Keramikheizungen durch das Prinzip der Widerstandsheizung, auch als Joule oder Ohm Heating bekannt. Resistive Erwärmung ist das Phänomen, bei dem Wärme aufgrund von Widerstandsverlusten erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch ein Material führt. Es umwandelt elektrische Energie in Wärme. Diese Umwandlung ist für elektrische Heizungen von Vorteil, da Widerstandsverluste ihre Effizienz erhöhen. Dieser Effekt ist jedoch in bestimmten Situationen unerwünscht, z.

Das erste Gesetz von Joule oder Joule - Lenz Law zeigt mathematisch die Beziehung zwischen der erzeugten Wärmeenergie und den elektrischen Eingangsparametern. In diesem Gesetz heißt es, dass die Wärmezeit pro Zeiteinheit oder Heizleistung (P) proportional zum Produkt des Stroms (i) und des Quadrats des Widerstands (R) ist, das als mathematische Gleichung ausgedrückt wird: P=I²r.

Widerstandserheizung auf molekularer Ebene
Widerstandesheizung kann erklärt werden, indem beobachtet wird, was während des Stromflusses auf molekularer Ebene in einem Material passiert.

Wenn eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Leiter besteht, wird ein elektrisches Feld erzeugt, wodurch die freien Elektronen in seinen äußersten Schalen beschleunigt werden, wenn sie sich zwischen den Atomen bewegen, wodurch diese Elektronen kinetische Energie versorgt werden. Die Elektronen bewegen sich vom Punkt eines höheren Potentials bis zum niedrigeren Potenzial. Die Rate des Elektronenflusses ist als Strom bekannt, ein grundlegender elektrischer Parameter. Der Strom ist direkt proportional zur Spannung (V), der Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten und umgekehrt proportional zum Widerstand; Diese Beziehung wird durch die mathematische Gleichung ausgedrückt: i=v/r.

Wenn diese Elektronen in Richtung eines niedrigeren Potenzials fließen, kollidieren sie mit den Atomen, anderen Elektronen und Verunreinigungen, aus denen das Material besteht, wodurch die Moleküle vibrieren. Darüber hinaus gibt es gegensätzliche Kräfte, die dem Elektronenfluss widerstehen. Diese Kollisionen und Gegenkräfte erzeugen Reibung, wenn die Elektronen in Richtung eines geringeren Potentials fließen. Um diese Reibung zu überwinden, müssen die Elektronen die Arbeit basierend auf der vom Material erzeugten Wärme ausführen. Die vom Material erzeugte Wärme (oder das Heizelement in diesem Zusammenhang) wird verwendet, um die Temperatur der umgebenden Objekte zu erhöhen.

Extrinsische Eigenschaften des Widerstands
Widerstand ist eine extrinsische Eigenschaft eines Materials; Es bezieht sich auf die Kraft, die sich dem Strom oder Elektronenfluss widersetzt. Als extrinsische Eigenschaft hängt sie von der Länge (l) und dem Kreuz - Abschnittbereich (a) des Materials ab und kann als r {{2} ρl/a berechnet werden. In dieser Gleichung ist ρ der Widerstand, eine intrinsische Eigenschaft, die mit der Materialsemperatur variiert.

Mit Ausnahme von Supraleitern besitzen alle Materialien einen gewissen Grad an elektrischem Widerstand. Damit ein Material als gutes Heizelement eingestuft werden kann, muss es einen ausreichenden inneren Widerstand haben. Materialien mit höherem Widerstand behindern den Stromfluss effektiver und erzeugen mehr Wärme. Der Widerstand eines Materials, das als Isolator fungiert, sollte jedoch nicht sehr hoch sein.
Wärmeübertragungsmechanismen
Keramikheizungen übertragen Wärme in die Umgebung durch Leitung, Konvektion oder Strahlung. Die Leitungswärmeübertragung umfasst Wärmeübertragung zwischen zwei Kontaktobjekten. Konvektionswärmeübertragung umfasst Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeiten (Flüssigkeiten oder Gasen). In einer Konvektionsraumheizung fließt Luft über das heiße Keramikheizelement und erhöht die Umgebungstemperatur. Schließlich wird bei Strahlungswärmeübertragung die Wärmeenergie direkt an nahe gelegene Objekte oder Personen durch elektromagnetische Strahlung emittiert.

Positiver Temperaturkoeffizient
Widerstand und Widerstand variieren mit der Temperatur. Wenn der Widerstand eines Materials mit zunehmender Temperatur zunimmt, hat er einen positiven Temperaturkoeffizienten. Keramik, die Halbleitermaterialien sind, haben einen positiven Temperaturkoeffizienten.

Wenn die Temperatur eines Keramikheizungselements aufgrund der Absorption des Stroms auf seine Sollpunkttemperatur zunimmt, steigt der Widerstand auf unendlich und stimmt den Stromfluss und die Wärmeerzeugung an. Die Sollpunkttemperatur hängt von der Zusammensetzung der Keramik ab. Daher können sich Keramikheizungen an die Umgebungstemperatur anpassen und in wärmeren Umgebungen weniger Wärme erzeugen. Sie liefern gerade genug Wärme, ohne die umgebende Temperatur übermäßig zu erhöhen. Daher sind Keramikheizungen selbst - regulieren, eine Eigenschaft, die nicht in Metallheizelementen zu finden ist. Dieses Selbst - regulierende Natur macht sie sicherer zu bedienen.