2.7.5.2 Toplotno delo električnega toka

Že pri obravnavi električne upornosti smo omenili, da nosilci elektrine električnega toka pri napredovanju skozi snov (sl. 4.5.3), oddajo del svoje kinetične energije atomom snovi in tako snov grejejo.

Električne grelnike uporabljamo tako v gospodinjstvih kot v industriji. Izdelujemo jih iz uporovnih zlitin, ki najpogosteje temeljijo na niklju in kromu in so odporne proti visokim temperaturam. Primera njihovih praktičnih izvedb prikazujeta sliki 2.7.5.2.2 in 2.7.5.2.3.

Velikost toplotnega dela (W_k) neposredno v grelnikih je enaka velikosti opravljenega električnega dela (W), zato ga lahko računamo po že znanih enačbah za delo električnega toka.

Toplotna energija električnih grelnih teles pa s toplotnim tokom (prenosom nihanja z atoma na atom) odteka v hladnejšo snov (kovino, vodo, zrak, ...), ki obdaja grelno telo, tam dviga temperaturo in lahko opravlja neko koristno delo (sl.  2.7.5.1.3). Ker se na enak način toplota širi iz grelnika tudi v neželene smeri, torej tudi ob snovi in iz snovi, ki jo segrevamo, je izkoristek segrevanja lahko zelo različen.

Pri fiziki smo se učili, da je toplotno delo W¹_t  enako spremembi toplotne energije snovi in da je ta premo sorazmerna s spremembo temperature ∆T, maso m in specifično toploto²snovi c:

   Enačba 2.7.5.2.1

Pri znanih vrednostih specifičnih toplot snovi (preglednica 2.7.5.1.1) lahko torej izračunamo opravljeno ali potrebno toplotno delo ter na osnovi tega in izkoristka pretvorbe opravljeno ali potrebno električno delo.

Preglednica 2.7.5.2:  Specifične toplote snovi

Električni tok pa pogosto opravlja tudi škodljivo toplotno delo. Segreva vodnike električnih instalacij, navitja elektromotorjev in transformatorjev ter najrazličnejše elektronske elemente (upore, tranzistorje, procesorje, ... ), jih ogroža z visokimi temperaturami, z opravljenim delom pa povzroča izgube električne energije.

Močno obremenjene elektromotorje, transformatorje, tranzistorje, procesorje, ... varujemo pred previsokimi temperaturami tudi z intenzivnim odvajanjem proizvedene toplote s hladilnimi rebri (foto 2.7.5.2.1) ali z vsiljenim pretokom hladilnega sredstva (zraka, olja, ... ). Toda če želimo neželene toplotne učinke res obvladati, jih moramo omejevati že pri samem nastajanju. Zato poglejmo, od česa je odvisen toplotni učinek toka v vodniku.

Ker skozi oba vodnika teče isti tok, lahko sklepamo, da je pri isti jakosti toka toplotni učinek večji v vodniku z manjšim prerezom, ali:

Gostota toka je pomembna električna količina za uporabo in obvladovanje toplotnih učinkov električnega toka. Računamo jo po enačbi:

¹ V toplotni tehniki označujemo količino toplote in toplotno delo s Q

² Toplota (delo), ki je potrebna, da se 1 kg snovi segreje za 1 K