热量,电阻和电流之间有波动的影响吗?


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我们被告知,热量会增加电阻的电阻(或降低其电导率),而当电阻增加时电流会减小。

因此,电流越小,耗散的热量就越少,这将降低电阻并导致更多的电流流过,然后再产生更多的电流,更多的热量……这似乎是一个无休止的循环。

实际电路中是否会发生这种波动?它会在某个时候停止吗?

(我指的是直流电路,因为这在交流电路中可能会更加复杂)


当工程师只需简单地加入电阻器时,为什么还要设计巧妙的振荡电路?/ sarcasm
Dmitry Grigoryev '18

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@DmitryGrigoryev:因为这样的振荡器听起来对周围的热量非常敏感(假设它将起作用)
MSalters '18

您要描述的是电阻器由恒定电流源-> P = R *I²驱动的情况。这可能发生,称为热失控。这也意味着电流源必须提供越来越多的功率(实际上,您是有极限的,否则电阻会流动或冒烟。)但是,在大多数情况下,您将拥有电压源。在那种情况下,P = U ^ 2 / R,这意味着R越高,信号源必须传递的功率越少。这是稳定的,如果温度系数是positive.4
abu_bua


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我一直想知道有两个相同的白炽灯泡由电压源驱动。一个电阻稍高的电阻可能会抢夺另一个功率,并且它们的亮度会不相等。但是瞬间变暗的灯泡或瞬间电流不足的明亮的灯泡会使这种触发器反向。
richard1941

Answers:


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我相信可以使用您提供的想法构建一个简单的物理模型。

在简单的直流电路中,在恒定电压V和欧姆电阻R的情况下,可以使用功率方程:

P=Vi=V2R

如果我们假设该系统是由具有恒定lenght L和横截面面积A的线的,电阻R可以是:

R=ρLA,whereρ=resistivity

对于小的温度T的振荡,电阻率可以aproximated到:

ρ=ρ0(1+α(TT0))=ρ0(1+αΔT)

而且由于只有固体物质加热,因此导线接收的功率为: 最后,所有这togheter的变为: ÇΔ ;· Ť =V2

P=dQdt=ddt(mcT)=mcT˙=mcΔT˙,whereΔT˙=dΔTdt=dTdt
,我不知道该怎么analitically解决这个问题,但有一个有效的近似,因为我与温度波动小的工作: 1
mcΔT˙=V2Aρ0L11+αΔTmcρ0LV2AΔT˙=11+αΔT
现在,我们可以解决这个问题: Çρ0大号
11+αΔT1αΔT
mcρ0LV2AΔT˙+αΔT1=0

并将该溶液是:

ΔT=Cet/τ+1α,whereτ=mcLρ0αAV2andC=cte

在此模型中,我们看到了一个瞬态解,其后是一个常数。但是请记住,这仅适用于较小的温度波动。


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可以用与带有反馈的控制电路相同的方式来进行分析。从实际意义上讲,加热将比其他效果慢得多,因此将主导循环方程式。这样,它将以指数方式接近平衡,除非系统的其他元素限制了它的响应(可笑的是,巨大的电感器,引入延迟的状态机等)。


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这有点像PTC热敏电阻。它将达到平衡温度。

要获得振荡,您必须具有某种相移或延迟。您可能会制造一个具有大量传输延迟的振荡器,该振荡器具有一个加热器加热管中流动的热水,该管加热下游的热敏电阻并增加向上游加热器的热量。


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实际电路中是否会发生这种波动?

我不认为这正是您要的,但以防万一,转向信号灯闪光灯取决于此行为。

根据1933年的专利

Turn signal patent circuit diagram

恒温开关闭合并断开次级电路。当电流流动时,开关中的金属条会加热,膨胀并最终断开电路。当它冷却时,它收缩并再次关闭。

一些现代的(特别是当使用小电流LED灯泡时)是数字/固态的,但是许多汽车仍然使用相同的精确原理。


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转向信号依赖于温度的变化,从而形成和断开接触,而不仅仅是改变同质导体的电阻。
格林

没错,尽管闪光灯确实取决于灯泡的电流消耗来决定闪光灯的闪光速度。
尼克,

我怀疑“双金属”可能比“金属”更准确,但不知道是肯定的
斯科特塞德曼

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这取决于元件的热容量。降低热容量,更像是温度会收敛的电阻反馈运算放大器电路。热容的作用类似于电抗性元件,并会引起振荡。元件的热导率(向外部的传热速度)将决定其是否要阻尼或发散。


3

作为记录,我喜欢Pedro Henrique Vaz Valois的回答,并对此表示支持。

简单地说:是的,有瞬态现象。

您可以像使用RLC阶跃功能电路一样来考虑这一点。使用吹风机,甩开开关,查看示波器上的瞬态变化,观察平线出现,因为所有能量平衡到一个稳定状态。只要存在振荡电压,就将开关变成振荡电压,并观察电阻来回摆动。

这是一个非常现实的问题

将大型喇叭冷却系统连接到CPU和其他高密度/高频芯片的许多原因之一是,我们不想(我们拼命不想)处理热效应。电阻制造商竭尽全力使产品中的电阻变化最小化。

值得您花些时间阅读今年早些时候Vishay铝箔电阻器的Felix Zandman博士和Joseph Szwarc发表的“ 电阻/温度特性的非线性:它对精密电阻器性能的影响 ”。


2

我们被告知,热量会增加电阻的电阻(或降低其电导率),而当电阻增加时电流会减小。

取决于电阻器的构成。它们中的大多数具有正温度系数,但很可能使温度系数为负。

实际电路中是否会发生这种波动?

通常不,通常它们只是逐渐趋向稳态温度。


1

不能。温度接近平衡,但不会过高,因此必须改变方向再返回。

考虑一个最初在室温下没有电流的电阻。

然后,将其连接到恒定电压。电流立即增加到欧姆定律确定的某个值:

(1)一世=Ë[R

电阻通过焦耳加热将电能转化为热能:

(2)PĴ=Ë2[R

它还以与温度成比例的速率向环境散发热量。尺寸,几何形状,气流等可以组合起来并以热阻为特征[Rθ单位为开尔文/瓦。如果ΔŤ 如果电阻器的温度高于环境温度,则损失到环境中的热能的比率为:

(3)PC=ΔŤ[Rθ

随着电阻变热,由于电阻的增加,它会更快地将热能散失到环境中 ΔŤ。当该损耗率(等式3)等于通过焦耳加热的能量获取率(等式2)时,电阻器已达到温度平衡。

假设典型的正温度系数,公式2随温度升高而降低。等式3随温度升高而增加。在某个时刻,电阻已充分加热,以使其相等。没有一种机制可以使电阻器“超调”该平衡,因此要求电阻器从预热变为冷却。一旦方程式2和3相等,温度,电阻和电流就达到平衡,没有理由进一步改变它们。


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在简单模型中,电流是电阻的直接函数,而电阻是温度的直接函数。但是温度不是电流的直接函数:电流控制着产生的热量,这会影响温度随时间的变化

在线性状态下,这对应于一阶方程

dŤdŤ=-λŤ-Ť0

由于系数为负(温度升高会导致电流增加,热量减少,最终温度会降低),因此系统很稳定,并且会收敛到稳定状态。

并且在任何情况下,一阶系统都不具有振荡模式。


为了使这种行为成为可能,需要一个不稳定的来源,例如负热系数以及第二个微分器。


“而且在任何情况下,一阶系统都不具有振荡模式。” 恐怕是不正确的。一阶系统可能会发生振荡,即使存在延迟,即使它们是线性的(我只是在谷歌上发表过一篇论文),也可能是非线性的(这是我的深记忆)。
Sredni Vashtar '18年

@SredniVashtar:我专门说过“线性状态”,“一阶”隐式地排除了延迟(否则请声明)。您的评论无关紧要。
伊夫·达乌斯特

“在任何情况下,一阶系统都不会具有振荡模式”。错了 当您声明“无论如何”时,您将使所有先前的规格作废,而使用不确定的“一阶线性系统...”则表示所有一阶系统,无论是否为线性。因此,我的评论仍然有效。但是,关于延迟系统是非线性的,您是正确的。
Sredni Vashtar '18

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@SredniVashtar:您误解了含义。无论如何指的是常数的符号。停止这个无用的论点。
伊夫·戴乌斯特

我确信,“无论如何”在您的脑海中意味着您的意思。现在我也知道你永远不可能错。但是,我会将评论留给其他人。
Sredni Vashtar '18

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不同的材料具有不同的传导特性,包括其热特性。也就是说,在相同的电流下,某些材料的发热将比其他材料高得多。这就是电阻等元件具有公差的原因之一。

您描述的温度波动实际上并没有在实际电路中发生。取而代之的是,电阻器将在电流开始流动时变热,但会达到一个平衡点,在该平衡点处,电流产生的热量与辐射到周围空气中的热量相匹配。然后,电阻器的温度保持稳定,实际电阻保持稳定,电流保持稳定。


五十年前的大学里,我们了解了热力学第一定律。电阻器的加热取决于功率,时间和热容量,而不取决于材料(假设它的热量不足以使其像引信那样熔化或汽化)。
richard1941

而决定热容量的是什么...?
米克,

同样,电阻器不需要辐射AiR,就比用它释放生命力的电磁治愈能量频率振动所需的乙醚要多。当然,热量可以通过传导和对流传递,但这是另一回事了……
richard1941

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实际上,从前有一个简洁的应用程序。汽车上的信号灯由双金属热敏开关操作。当指示灯闪烁时,双金属加热并弯曲打开电路。然后散热,开关冷却并再次闭合。

Not sure if all cars still use the bimetallic switch, but I'd guess that some now use computer control.


I don't think a bimetallic strip thermostat is what the original poster of the question had in mind.
richard1941
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