Wstęp teoretyczny
Dział nauki i techniki zajmujący się przemianami energii elektrycznej w ciepło do celów użytkowych, nazywamy elektrotermią.
Nagrzewanie elektryczne jest to technika wytwarzania i wykorzystywania ciepła z energii elektrycznej. Problematyka nagrzewania elektrycznego nie ogranicza się więc do technik wytwarzania ciepła z energii elektrycznej, lecz obejmuje także zagadnienia wykorzystywania tego ciepła we wszystkich obszarach działalności człowieka.
Urządzenie elektrotermiczne jest to zespół środków technicznych przeznaczonych do przekształcania energii elektrycznej w ciepło oraz do wykorzystania go w procesach grzejnych. Środkami tymi są człony zasilające, przekształcające, grzejne, załadunku i transportu wsadu, pomiarowe, regulacyjne oraz inne wyposażenie elektryczne i nieelektryczne ułatwiające lub polepszające pracę urządzenia elektrotermicznego. Człony przekształcające służą do przetwarzania energii elektrycznej na taką jej postać, która sprzyja uzyskaniu wymaganego stanu cieplnego, np. określonego pola temperatury, stanu skupienia wsadu itp. Człony grzejne to podstawowe elementy urządzeń elektrotermicznych i w nich dokonuje się przemiana energii elektrycznej w ciepło. Urządzenia elektrotermiczne są jednostkami autonomicznymi - lub jako elementy wyposażenia - wchodzą w skład innych urządzeń i wtedy bywają nazywane elektrycznymi urządzeniami grzejnymi. Nie wyklucza to przypadków, że to samo urządzenie może stanowić jednostkę autonomiczną lub być elementem podstawowym względnie pomocniczym zespołu urządzeń. Stąd też zamienne stosowanie obu tych określeń.
Według kryterium metody nagrzewania wyodrębnia się obecnie 12 metod nagrzewania:
Rezystancyjną
Promiennikową
Elektrodową
Łukową
Indukcyjną
Pojemnościową
Mikrofalową
Plazmową
Elektronową
Fotonową
Jonową
Ultradźwiękową
W ćwiczeniu nr 6 mieliśmy do czynienia z metodą rezystancyjną, dlatego opiszemy ją pokrótce.
Nagrzewanie rezystancyjne (oporowe) jest to nagrzewanie elektryczne wykorzystujące efekt Joule'a w ośrodku przewodzącym stałym, połączonym galwanicznie ze źródłem energii. W nagrzewaniu rezystancyjnym wykorzystuje się prąd przewodzenia polegający na przemieszczaniu się elektronów swobodnych w ośrodku przewodzącym pod wpływem pola elektrycznego. Energia niesiona przez elektrony w czasie przepływu prądu przewodzenia ujawnia się pod postacią energii cieplnej. Może to być wynikiem trzech zjawisk: Peltiera, Thompsona oraz Joule'a-Lenza. Dwa pierwsze zaliczają się do procesów odwracalnych i w elektrotermii mają znaczenie podrzędne, ponieważ towarzyszące im zjawiska cieplne, są na ogół pomijalne. Przy korzystaniu z prądu przemiennego, zjawiska Peltiera i Thompsona nie są w ogóle brane pod uwagę. Moc cieplna wywołaną efektem Joule'a-Lenza jest proporcjonalna do kwadratu prądu w torze
P = RI2
Przy czym R jest rezystancją toru.
Historia rozwoju tej metody nagrzewania wyprzedza zasady, które leżą u jej podstaw. Jak wiadomo prawo Ohma sformułowane zostało w 1827 r. zaś Joule'a-Lenza w 1842 r., a już w 1801 r. L. Tenar przeprowadził doświadczenie polegające na nagrzewaniu prądem elektrycznym drutu platynowego. W sześć lat później Anglik G. Davy skonstruował pierwsze laboratoryjne urządzenie rezystancyjne komorowe z nagrzewaniem bezpośrednim wsadu. Przemysłowe zastosowania tej metody rozpoczęły się w latach 80-tych ubiegłego wieku. Za ich prekursora uważa się Amerykanina A.H. Cowlessa, który zastosował metodę nagrzewania rezystancyjnego bezpośredniego do topienia rud miedziowo-cynkowych (1884). Równocześnie zaczęto wykorzystywać tę metodę do celów bytowych. Pojawiły się pierwsze ogrzewacze, których szerszemu upowszechnieniu przeszkadzała cena energii elektrycznej, wyższa 4-5 krotnie od energii gazowej. Tym nie mniej wyposażono w takie ogrzewacze m.in. wagony powstających wówczas pierwszych kolei podziemnych. W 1881 r. na międzynarodowej wystawie elektrotechnicznej w Paryżu pojawiły się pierwsze narzędzia i przyrządy grzejne powszechnego użytku, szybko rozwijane w latach następnych. Istotne zasługi mają w tym zakresie Lane-Fox, Rosę, Jiillig, Edison, Wilke. W tym też okresie należy upatrywać źródeł tradycji, która ukształtowała zakres nagrzewania rezystancyjnego.