О нагревательных элементах (часть 1)

Нагревательным элементом называют устройство (или материал), которое способно преобразовать электрическую энергию в тепло или же тепловую энергию, основываясь на принципе, который известен в науке как джоулев нагрев.

Джоулев нагрев – это явление, при котором происходит выделение тепла проводником из-за протекания электрического тока. Когда через материал проходит электрический ток, то электроны или другие носители заряда начинают сталкиваться с ионами или атомами проводника. Создаётся трение на уровне атомов, которое и проявляется в виде тепла.

Зачем нужны нагревательные элементы?

История человечества протяжённа и сложна. Она несёт множество лишений и при этом удивительных открытий, которые значительно повлияли на жизнь людей и их комфорт. Первые самые простейшие изобретения начали появляться примерно 2 млн. лет назад, когда первобытным людям удалось освоить обработку камня и приручить огонь.

В наш цифровой век, в котором существуют жидкостные реактивные двигатели, космические ракеты, стеклянные и стальные небоскребы, множество синтетических материалов, пламя и дым кажутся вещами сами собой разумеющимися. Огонь превратился из божественного и опасного явления в бытовой ресурс, на котором мы каждый день готовим пищу.

Однако если задуматься, то все перечисленные выше достижения научного прогресса, все изобретения и материалы, так или иначе, полагаются именно на огонь. И для того чтобы его разжечь приходится прикладывать немало усилий порой. Например, возьмём паровозы, которые работают на угле – их приходилось разжигать очень заблаговременно до подтяжки вагонов. А возникающие внезапно пожары? Порой они вспыхивают по независящим от человека причинам, унося жизни людей, принося серьёзный ущерб природе, губя живых существ, нанося непоправимый вред имуществу и всему тому, что способно гореть.

Конечно, было бы просто чудесно, если бы огонь можно было взять под такой же контроль, под которым находится электричество, чтобы человек имел возможность выключать и включать огонь в любой момент. Это и является весомым плюсам всех нагревательных элементов омического сопротивления. Именно от этих устройств и зависит наша способность управлять «магией огня» с уровнем комфорта, свойственного электричеству.

Как вырабатывается тепло из электричества?

Ещё со школы нам известно, что одни материалы способны проводить через себя электричество, а другие не способны. Первые называются проводниками, вторые – изоляторами. Проводник и изолятор сравнивают (по сопротивлению) в момент прохода через них электротока. Вследствие этого, проводники обладают низким сопротивлением (при этом проводник может быть как материалом, так и веществом или даже средой). Изоляторы же, которые плохо проводят электрический ток, обычно обладают высоким уровнем удельного сопротивления.

В электрических схемах используется пассивный элемент электроцепи – резистор, который обладает определённым постоянным или же переменным значением электросопротивления. Это необходимо для контроля протекания тока. Нагревательные резисторы функционируют по закону Ома (по принципу преобразования электрической энергии в тепловую). Проще говоря, они нагреваются в тот момент, когда через них проходит электроток. Однако на это способны не только резисторы.

Электроток нагревает и проводник. Такой нагрев объясняется тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот и щелочей перемещаются под действием электрополя, взаимодействуя при этом с ионами или атомами вещества проводника и передавая им свою энергию.

Как происходит нагрев?

Проще всего разобраться с этим вопросом на примере движения одного электрона по проводнику. Электроток в металлическом проводнике представляет собой упорядоченное движение электронов. Провод – это фактически кристалл, состоящий из ионов, поэтому электронам приходится просачиваться между ионами и неизменно сталкиваться с ними. Часть кинетической энергии при этом передаётся от электронов к ионам, что вызывает только ещё более активные колебания. Увеличивается кинетическая энергия ионов и увеличивается внутренняя энергия самого проводника, что влечёт за собой повышение температуры и, соответственно, нагрев проводника.

Так что же такое нагревательный элемент?

Нагревательные элементы обычно создаются из прецизионных сплавов, имеющих высокое электрическое сопротивление (никель, хром, железо). Наиболее популярным сплавом, который применяется для создания элементов нагрева, является нихром. Его начали использовать еще в 1905 году благодаря учёному, металлургу, инженеру Альберту Лерою Маршу. Он запатентовал своё открытие в 1906 году. Этот сплав был первым в истории, состоявшим из 80% никеля и 20% хрома в качестве нагревательного элемента. Сегодня же промышленность знает примерно 10 формул подобных сплавов.

Нихром легко способен выдержать температуру плавления до 1400 градусов, а его плотность составляет 8200-8500 кг/м3. Что касается физических качеств нихромов, то тут уместно говорить о высоком электрическом сопротивлении, оно варьируется в пределах 1,05 – 1,4 Ом•мм²/м и зависит от марки нихрома (и процентного соотношения компонентов в составе, соответственно). Кроме того, для него свойственно высокий уровень сопротивления коррозии в различных средах, а также высочайшая жаростойкость.

Нихром является крипоустойчивым материалом, что означает, что он при определённом уровне нагрева материал начинает удлиняться за установленный временной промежуток. Этот сплав очень пластичный, но при этом хорошо держит первоначальную форму, что позволяет работать с ним в температурном диапазоне 1100-1300 градусов.

Стоит также упомянуть и другой сплав – фехраль. Фехраль представляет собой легированный особо твёрдый прецизионный сплав, который при этом обладает повышенной хрупкостью. Он изготавливается на основе железа, к которому добавляется хром, алюминий, а также присадки кремния или марганца. Состав такого сплава идеален для работы при температурах, достигающих 1450 градусов. Фехраль обладает высоким удельным сопротивлением — 1,3 Ом•мм²/м.

Обычно из фехраля изготавливают прутки, проволоки, пластинки или ленты. Особенно активно используется проволока из фехраля, поскольку она имеет низкую стоимость (ведь в её состав входит более дешёвый алюминий, а не никель).

При этом сплав отличается высокими техническими показателями и отличными потребительскими характеристиками, что позволяет ему свободно конкурировать с более дорогостоящими аналогами на рынке (и даже вытеснять их).

Именно на основе фехралевой проволоки и производят нагревательные элементы, предназначенные для электропечей и других бытовых приборов общего назначения. Также на основе этого материала производят комплектующие для резисторов, фенов и реостатов.

Кроме высоких температурных показателей плавления и удельного сопротивления, фехралевая проволока обладает и рядом других преимуществ:

• небольшой удельный вес;
• стойкость к коррозии;
• отличная устойчивость к механическим повреждениям, нагрузкам и деформациям;
• низкая стоимость в сравнении с аналогами;
• высокий предел текучести;
• отличная жаростойкость.

Однако при всех, безусловно, значительных преимуществах, фехраль обладает и важным недостатком, который следует принять во внимание – хрупкость сплава. Этот недостаток значительно влияет на процесс производства проволоки малых диаметров, усложняя его. Для хотя бы частичной компенсации такого недостатка применяется технология никелевых или других схожих по качествам присадок. Но нетрудно догадаться, что такие присадки не только повышают прочность готового продукта, но и его стоимость.