Να σκεφτείτε ότι ένα θερμαντικό στοιχείο θα έπρεπε να έχει μια πραγματικά υψηλή αντίσταση-μετά από όλα, είναι η αντίσταση που επιτρέπει στο υλικό για να παραγάγει τη θερμότητα. Αλλά αυτό δεν είναι στην πραγματικότητα η περίπτωση. Αυτό που παράγει θερμότητα είναι το ρεύμα που ρέει μέσα από το στοιχείο, όχι το ποσό της αντίστασης που αισθάνεται. Να πάρει το μέγιστο ρεύμα που ρέει μέσω ενός στοιχείου θέρμανσης είναι πολύ σημαντικότερο από αναγκάζοντας εκείνο το ρεύμα μέσω μιας μεγάλης αντίστασης. Αυτό μπορεί να φαίνεται συγκεχυμένη και αντι-διαισθητική, αλλά είναι αρκετά εύκολο να δούμε γιατί είναι (και πρέπει να είναι) αλήθεια, τόσο διαισθητικά όσο και μαθηματικά.
Διαισθητικά...
Ας υποθέσουμε ότι κάνατε την αντίσταση του θερμαντικού στοιχείου σας τόσο μεγάλη όσο θα μπορούσατε ενδεχομένως-απείρως μεγάλη, στην πραγματικότητα. Στη συνέχεια, ο νόμος του Ohm (τάση = τρέχουσα αντίσταση × ή V = IR) μας λέει ότι το ρεύμα που ρέει μέσα από το στοιχείο σας θα πρέπει να είναι απείρως μικρό (αν I = V / R, προσεγγίζω το μηδέν ως R προσεγγίσεις άπειρο). Θα έχετε μια τεράστια μεγάλη αντίσταση, δεν ρεύμα, και ως εκ τούτου δεν παράγεται θερμότητα. Σωστά, τι θα γινόταν αν πηγαίναμε στο αντίθετο άκρο και κάναμε την αντίσταση απείρως μικροσκοπική. Τότε θα είχαμε ένα διαφορετικό πρόβλημα. Αν και το ρεύμα θα μπορούσε να είναι τεράστια, R θα είναι σχεδόν μηδέν, έτσι ώστε το ρεύμα θα φερμουάρ μέσα από το στοιχείο σαν ένα τρένο express χωρίς καν να σταματήσει, που δεν παράγουν καθόλου θερμότητα.
Αυτό που χρειαζόμαστε σε ένα θερμαντικό στοιχείο είναι επομένως μια ισορροπία μεταξύ των δύο άκρων: αρκετή αντίσταση για την παραγωγή θερμότητας, αλλά όχι έτσι μειώνει το ρεύμα πάρα πολύ. Nichrome είναι μια μεγάλη επιλογή. Η αντίσταση ενός σύρματος νιχρώμης είναι (περίπου) 100 φορές υψηλότερη από εκείνη ενός σύρματος το ίδιο μέγεθος κατασκευασμένο από χαλκό (ένας εξαιρετικός αγωγός), αλλά μόνο ένα τέταρτο όσο ένα παρόμοιο μέγεθος ράβδο γραφίτη (ένα αρκετά καλό αγωγό) και ίσως μόνο ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια ότι από ένα πραγματικά καλό μονωτή, όπως το γυαλί. Οι αριθμοί μιλούν από μόνοι τους: nichrome είναι ένας μέσος αγωγός με μόνο μέτρια αντίσταση, και όχι εξ αποστάσεως μονωτή!
Μαθηματικά...
Μπορούμε να καταλήξουμε ακριβώς στο ίδιο συμπέρασμα με τα μαθηματικά. Η ισχύς που παράγεται ή καταναλώνεται από μια ροή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ίση με τους χρόνους τάσης του ρεύματος (watt = βολτ × ενισχυτές ή P = VI). Γνωρίζουμε επίσης από το νόμο του Ohm ότι V = IR. Εξαλείψτε το V από αυτές τις εξισώσεις και βρίσκουμε ότι η δύναμη που διαχέεται στο στοιχείο μας είναι I2R. Με άλλα λόγια, η θερμότητα είναι ανάλογη με την αντίσταση, αλλά και ανάλογη με το τετράγωνο του ρεύματος. Έτσι, το ρεύμα έχει πολύ μεγαλύτερη επίδραση στη θερμότητα που παράγεται από την αντίσταση. Διπλασιάστε την αντίσταση και διπλασιάστε τη δύναμη (μεγάλη!), αλλά διπλασιάστε το ρεύμα και τετραπλασιάζετε τη δύναμη (φανταστική!). Έτσι, το ρεύμα είναι αυτό που έχει πραγματικά σημασία.
Είναι εύκολο να υπολογιστεί ότι η αντίσταση του νήματος σε έναν χαρακτηριστικό πυρακτωμένο λαμπτήρα είναι μερικές εκατοντάδες ohms. Θα αφήσω τον υπολογισμό σε σένα!
