آتش یکی از اولین و بهترین کشفیات نوع بشر بوده است – چیزی حدود یک یا دو میلیون سال پیش. در عصر مدرن موتورهای جت، موشک های فضایی، آسمان خراش های فولادی و پلاستیک های مصنوعی، ممکن است دود و آتش پدیده ای بسیار ماقبل تاریخی به نظر رسد. اما هر چهار مورد این اختراعات – و چند مورد دیگر – به شکلی بسیار حیاتی متکی به آتش هستند.
آتش به هیچ وجه کمتر از آن اختراعات هوشمندانه نیست، اما تولید آن چندان آسان نیست. گاهی ممکن است مدت بسیار زیادی طول بکشد تا آتش روشن شود. مثلا لکوموتیوهای بخاری که با نیروی زغال سنگ کار می کنند باید چند ساعت وقت صرف سوختن آن ها گردد تا آماده کشیدن قطار شوند. در موارد دیگری آتش زمانی که انتظار آن را ندارید گسترش پیدا می کند و ساختمان ها، جان انسان ها و هر چیزی که عزیز می شمارید را با تهدید روبرو می کند.
به نظر شما عالی نبود اگر این امکان وجود داشت که آتش را به همان آسانی الکتریسیته کنترل کنیم و در صورت نیاز آن را قطع و وصل کنید؟ این همان ایده اصلی المنت های حرارتی است. آن ها آتش موجود درون چیزهایی مثل بخاری های برقی، دوش ها، توستر، اجاق برقی، سشوار، خشک کن لباس، هویه و سایر انواع وسایل برقی پراستفاده خانگی هستند. المنت های حرارتی به ما نیروی آتش را با آسانی و راحتی الکتریسیته ارائه می کنند. اجازه دهید نگاهی نزدیک تر به ماهیت و نحوه کار آن ها بیندازیم!
اگر قصد خرید المنت حرارتی را دارید
جهت مشاهده لیست فروشندگان المنت کلیک کنید.
عکس: یک آتش الکتریکی معمولی روی سنگ کف اجاق. این نمونه دارای سه المنت (میله) حرارتی الکتریکی است که روی سرامیک سفید و پشت یک تور ایمنی نقره ای قرار داده شده است. می توانید المنت ها را دقیقا در میانه تصویر ببینید که با حرارت سرخ می درخشند. در قسمت بالا، چند زغال پلاستیکی هم قرار داده شده اند که هیچ کاربردی ندارند جز آن که به ما یادآوری کنند در قلب خود هنوز غارنشینان عصر حجر هستیم. هنوز حس عاشقانه آتش را دوست داریم، هر چند که راحتی الکتریسیته را ترجیح می دهیم!
به دست آوردن حرارت از الکتریسیته
در مدرسه می آموزیم که برخی مواد الکتریسیته را به خوبی هدایت می کنند، در حالی که برخی دیگر این چنین نیستند. موادی که الکتریسته را به خوبی هدایت می کنند، رسانا نام دارند در حالی که موادی که الکتریسیته را به خوبی هدایت نمی کنند، عایق نام دارند. رساناها و عایق ها اغلب بدین شکل بهتر قابل توصیف خواهند بود که در مورد میزان مقاومت آن ها نسبت به جریان الکتریسته صحبت کنیم. رساناها مقاومت اندکی دارند (الکتریسیته به آسانی در آن ها جاری می شود) در حالی که عایق ها مقاومت زیادی نشان می دهند (الکتریسیته برای عبور از آن ها با دشواری روبرو است). در یک مدار الکتریکی یا الکترونیکی، می توانیم از ابزارهایی با عنوان «مقاومت» برای کنترل میزان جریان استفاده کنیم. برای مثال در بلندگوها از پیچی برای افزایش مقاومت و کم کردن جریان جهت کم کردن حجم صدا استفاده می شود.
عکس: تصویری نزدیک از رشته تنگستن کویل دار در یک لامپ رشته ای، که نور را با تولید میزان زیادی حرارت به وجود می آورد. میزان نوری که رشته تولید می کند در ارتباط مستقیم با طول آن است. هر چه طول رشته بیشتر باشد، نور بیشتری تولید می شود. به همین دلیل است که کویل دار شده است. کویل طول (و نور) بیشتری را فضایی واحد جای می دهد.
مقاومت ها با تبدیل انرژی الکتریکی انرژی گرمایی کار می کنند؛ به عبارت دیگر، آن ها زمانی که الکتریسیته از آن ها عبور می کند، گرم می شوند. اما فقط مقاومت ها نیستند که این گونه می شوند. حتی یک سیم نازک هم در صورتی که میزان برق زیادی را با فشار از آن عبور دهید، داغ می شود. این همان ایده اصلی مربوط به لامپ های رشته ای است (چراغ های حباب شکل قدیمی). درون حباب شیشه ای، کویل بسیار نازکی از سیم وجود دارد که به آن رشته می گویند. زمانی که الکتریسیته کافی از آن عبور کند، با حرارت روشن شروع به درخشندگی می کند – بنابراین در حقیقت نور را با تولید حرارت به وجود می آورد. حدود 95 درصد برقی که لامپ های این چنینی مصرف می کنند صرف تولید حرارت شده و در واقع هدر می رود (استفاده از چراغ کاهنده مصرف فلئورسانتی بسیار کارآمدتر خواهد بود، زیرا بیشتر برقی که چراغ مصرف می کند به روشنایی تبدیل می شود و هدررفت حرارتی چندانی وجود ندارد).
اکنون روشنایی را فراموش کنید – اگر آن چه به دنبال آن هستیم حرارت باشد، وضعیت چطور خواهد بود؟ در این جا به ناگاه در می یابیم لامپ رشته ای پر مصرف ما در حقیقت بسیار کارآمد است زیرا 95 درصد انرژی دریافتی خود را به حرارت تبدیل می کند. بسیار عالی! فقط یک مشکل وجود دارد. اگر تا به حال به یک لامپ رشته ای نزدیک شده باشید، متوجه هستید لامپ به اندازه ای داغ می شود که اگر به آن دست بزنید دست شما را می سوزاند (چنین کاری را امتحان نکنید). اما اگر حتی در فاصله یک متری از آن قرار گیرید، حرارت به دست آمده از یک لامپ 100 وات به اندازه ای ضعیف است که به شما نمی رسد.
پس چطور می شود اگر بخواهیم یک بخاری الکتریکی را تقریبا مشابه با یک لامپ الکتریکی بسازیم؟ در این صورت به چیزی مثل یک رشته لامپ اما در مقیاس بزرگ تر نیاز داریم – شاید 20 تا 30 برابر قوی تر تا بتوانیم واقعا حرارت آن را حس کنیم. ما به ماده نسبتا قوی نیاز داریم (ماده ای که ذوب نشود و برای مدت طولانی طی دوره های مداوم حرارت یافتن و سرد شدن ماندگاری داشته باشد) و همین طور نیاز داریم که میزان بسیار زیادی حرارت را با دمایی معقول ارائه کند (شاید بهتر باشد این دما را با درخشش سرخ ارائه کند نه درخشش سفید تا چشممان را آزار ندهد). آن چه این جا در حال صحبت از آن هستیم، مبانی یک المنت حرارتی است: یک ماده قوی الکتریکی که به گونه ای طراحی شده باشد که با عبور جریان قوی برق از آن حرارت بدهد.
عکس: المنت حرارتی پنهان شده درون یک کوکتاپ سرامیکی. این یک المنت پیوسته است، که از نقطه آبی شروع می شود، انحنا یافته و شکل ماز می یابد تا این که به نقطه قرمز می رسد. دلیل ندارد که این المنت شکل دیگری داشته باشد چرا که باید حرارت را دقیقا زیر یک ماهی تابه متمرکز کند – و این شکل، کارآمدترین راه دستیابی به چنین هدفی است.
المنت حرارتی چیست؟
یک المنت معمول حرارتی معمولا کویل، باریکه (راست یا چین دار) یا سیمی است که حرارت را مانند رشته یک لامپ ارائه می کند. زمانی که جریان الکتریکی از آن عبور می کند، با رنگ سرخ می درخشد و انرژی الکتریکی عبوری را به حرارت تبدیل می کند که آن را از همه جهات بازتاب می دهد.
المنت های حرارتی معمولا مبتنی بر نیکل یا آهن هستند. المنت های مبتنی بر نیکل معمولا نیکروم هستند، یعنی آلیاژی (ترکیبی از فلزات و گاهی سایر عناصر شیمیایی) که تقریبا از 80 درصد نیکل و 20 درصد کرومیوم تشکیل شده است (نسبت های دیگری از این ترکیب نیز وجود دارد اما نسبت 80 به 20 از همه رایج تر است). دلایل خوب مختلفی وجود دارد که نیکروم را به محبوب ترین ماده برای المنت های حرارتی تبدیل کرده است: این آلیاژ دارای نقطه ذوب بسیار بالایی است (حدود 1400 درجه سانتی گراد یا 2550 درجه فارنهایت)، اکسید نمی شود (حتی در دماهای بالا)، وقتی حرارت می یابد چندان منبسط نمی شود، و دارای مقاومت نسبتا معقولی است (نه چندان کم و نه چندان زیاد اما به شکل معقولی ثابت) (این آلیاژ بین دمای اتاق و حداکثر دمای کار خود تنها به اندازه 10 درصد انبساط می یابد).
انواع المنت های حرارتی
انواع بسیار زیادی از المنت های حرارتی وجود دارد. گاهی نیکروم به صورت ساده به همان شکلی که هست استفاده می شود؛ اما گاهی هم آن را در مواد سرامیکی جای می دهند تا آن را محکم تر و ماندگارتر سازند (سرامیک در خصوص دماهای بالا بسیار خوب عمل می کند و حرارت یافتن و سرد شدن مداوم تاثیری روی آن ندارد). اندازه و شکل یک المنت حرارتی تا حد زیادی تحت تاثیر ابعاد وسیله الکتریکی است که باید در آن جای گیرد و همین طور مساحتی که باید در آن حرارت تولید کند. فرکننده های مو دارای المنت های کویل دار کوتاهی هستند زیرا باید حرارتی را در یک لوله باریک تولید کنند که مو بتواند پیرامون آن پیچیده شود. رادیاتورهای الکتریکی دارای المنت های میله ای بلندی هستند چرا که باید حرارت در ناحیه گسترده ای از اتاق ارائه کنند. اجاق های الکتریکی دارای المنت های حرارتی کویل دار دقیقا با اندازه مناسب برای حرارت دادن ظرف پخت و پز هستند (اغلب المنت های اجاق با فلز، شیشه یا صفحات سرامیکی پوشش داده شده اند تا پاک کردن آن ها آسان تر باشد).
عکس: دو نوع المنت حرارتی. 1) نوارهای نیکرومی درخشان درون یک توستر. 2) می توانید به خوبی المنت الکتریکی کویلی را در انتهای این کتری ببینید. این المنت هیچ گاه مانند سیم های توستر با رنگ سرخ نخواهند درخشید زیرا در حالت عادی به آن اندازه داغ نمی شود. ولی، اگر از روی حماقت کتری را بدون آب روشن کنید (که من تصادفا یک بار این کار را کردم)، متوجه می شوید این امکان وجود دارد که المنت کتری با رنگ سرخ بدرخشد. این کار خطرناک و فاجعه بار کتری را برای همیشه از کار انداخت و ممکن بود آشپزخانه را به آتش بکشد.
در برخی از وسایل، المنت حرارتی کاملا قابل مشاهده است؛ در یک توستر الکتریکی، شناسایی باریکه های نیکروم که در دیواره های توستر قرار داده شده اند آسان است زیرا با حرارت سرخ می درخشند. رادیاتورهای الکتریکی (مانند نمونه ای که در تصویر بالا می بینید) حرارت را با میله های سرخ از حرارت تولید می کنند (اساسا المنت های حرارتی سیمی دارای کویل هستند که حرارت را از طریق تابش ارائه می کنند)، در حالی که بخاری های همرفتی عموما دارای المنت های حرارتی مدور هم مرکزی هستند که جلوی یک فن الکتریکی قرار داده شده اند (بنابراین حرارت را سریع تر به واسطه همرفت منتقل می کنند).
برخی از وسایل دارای المنت های آشکاری هستند که با دمای پایین تر کار می کنند و درخششی ندارند؛ کتری های الکتریکی که نیازی ندارند با دمایی فراتر از نقطه جوش آب کار کنند (100°C یا 212°F)، مثال خوبی از این دست هستند. در وسایل دیگر المنت های حرارتی کاملا پنهان هستند، که عموما به خاطر دلایل ایمنی است. دوش های الکتریکی و فرکننده های مو دارای المنت های پنهان هستند و بنابراین (امید می رود) خطر برق گرفتگی وجود ندارد.
عکس: اولین قدم در طراحی یک المنت حرارتی این است که دقیقا بدانید از آن برای چه کاری استفاده خواهد شد. این پنجره عقب قابل حرارت یک خودرو فولکس واگن کمپر قدیمی اساسا یک المنت حرارتی نوع نواری است که به شیشه چسبیده است. ملاحظات طراحی شامل مواردی است از جمله این که اطمینان حاصل شود المنت مانع دید راننده نگردد، برای همیشه به شیشه بچسبد، وقتی حرارت می یابد به شیشه آسیبی نرساند، به اندازه ای قوی باشد که یخ و برف را نسبتا سریع آب کند، و با باتری خودرو (یا منبع برق) قابل تامین نیرو باشد.
مطالب ذکر شده باعث می شود المنت های حرارتی بسیار ساده و سرراست به نظر رسند، اما در حقیقت عوامل مختلفی وجود دارد که باید در زمان طراحی مورد توجه مهندسان برق قرار گیرد. تور هگبوم در کتاب عالی خود در این زمینه (نگاه کنید به منابع زیر)، تقریبا 20 تا 30 عامل مختلفی را ذکر می کند که بر عملکرد یک المنت معمول حرارتی تاثیر می گذارد، از جمله موضوعات بدیهی همچون ولتاژ و جریان، طول و قطر المنت، نوع ماده، و دمای کار وسیله. همچنین جنبه های خاصی نیز در رابطه با هر نوع خاص از المنت وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد. برای مثال، در مورد المنت کویل داری که از سیم گرد تهیه شده است، قطر سیم و شکل کویل ها (قطر، طول، پهنا، کشیدگی و مانند آن) جزو مواردی هستند که تاثیری اساسی بر عملکرد دارند. با یک المنت نواری، قطر و پهنای نوار، مساحت سطح، و وزن همگی باید در نظر گرفته شوند.
آیا المنت حرارتی به مقاومت زیادی نیاز دارد یا باید مقاومت آن کم باشد؟
ممکن است فکر کنید المنت حرارتی باید مقاومت بسیار بالایی داشته باشد – هر چه باشد، این مقاومت آن است که به ماده امکان تولید حرارت را می دهد اما در واقع به این صورت نیست. آن چه تولید حرارت می کند جاری شدن جریان در المنت است و نه میزان مقاومت مورد مواجهه. دستیابی به بیشترین میزان جریان عبوری از المنت حرارتی بسیار مهم تر از عبور دادن جریان از میان مقاومت بسیار بالا. این مسئله ممکن است کمی سردرگم کننده به نظر رسد اما هم به لحاظ ریاضی و هم به لحاظ شهودی به سادگی می توان متوجه آن شد.
به لحاظ شهودی…
فرض کنید مقاومت المنت حرارتی خود را تا آن جا که می توانسته اید افزایش داده اید – در حقیقت، بی نهایت بزرگ. آن گاه قانون اهم (ولتاژ=جریان×مقاومت یا V=IR) به ما می گوید که جاری شدن جریان از میان مقاومت شما بی نهایت ریز خواهد بود (اگر I=V/R باشد، با نزدیک شدن R به بی نهایت، I هم به صفر میل می کند). شما مقاومتی بسیار عظیم خواهید داشت و نه جریان و بنابراین حرارتی تولید نمی شود. در عین حال، اگر به سمت حدی دیگر پیوستار حرکت کنید و مقاومت را بی نهایت کوچک کنیم، چه اتفاقی می افتد؟ آن گاه مسئله متفاوت خواهد بود. گرچه جریان I ممکن بسیار عظیم باشد، اما R تقریبا صفر است، بنابراین جریان همچون یک قطار سریع السیر بدون توقف به سرعت از المنت عبور می کند بی آن که حرارتی تولید کند.
بنابراین، آن چه در یک المنت حرارتی نیاز داریم، توازنی بین دو انتهای پیوستار است: مقاومت کافی تا حرارت تولید کنید اما نه به طوری که جریان را بیش از حد کوچک کند. نیکروم انتخابی عالی در این زمینه است. مقاومت یک سیم نیکرومی (تقریبا) 100 برابر سیمی مسی (یک رسانای عالی) با همان اندازه است اما تنها 25% بیشتر از یک میله گرافیتی (یک رسانای نسبتا خوب) در همان اندازه است ولی در عین حال مقاومت آن یک میلیون تریلیونم عایق خوبی مانند شیشه است. اعداد خود گویا هستند: نیکروم یک رسانای متوسط با مقاومت معتدل است و به هیچ وجه به یک عایق نزدیک نیست.
عکس: نمای صفحه کف یک اتوی بخار الکتریکی از بالا در حالی که مخزن آب و سایر متعلقات آن جدا شده است. المنت حرارتی در پایه قرار داده شده است، که یک مخزن فلزی درون تهی است و از آب سرد پر می شود و برای تولید بخار به جوش می آید. دو اتصال الکتریکی به به المنت حرارتی را به رنگ قرمز و آبی درآورده ام. برخلاف آتش الکتریکی ساده ما در عکس بالا، که همیشه با حداکثر نیرو کار می کند، المنت یک اتو باید بین حالت های نیروی کم و زیاد در گردش باشد تا هر دو وضعیت اتو و عدم استفاده را پوشش دهد. وقتی در حال اتوی ماده ای سرد و خیس هستید، نیاز دارید اتو نیروی بیشتری ارائه کند تا بیش از حد سرد نشود. وقتی موقتا در حال استفاده از اتو نیستید، اتو باید نیروی بسیار کمتری تولید کند تا بیش از حد حرارت نیابد و باعث سوختن المنت نشود. چنین اهدافی با یک ترموستات ساده حاصل می شود.
به لحاظ ریاضی
با ریاضی هم می توانیم دقیقا به همین نتیجه برسیم. نیروی تولیدی یا مصرفی یک جریان الکتریکی برابر با میزان ولتاژ جریان است (وات=ولت×آمپر یا P=VI) از روی قانون اهم نیز می دانیم که V=IR. V را از این معادلات حذف کنید تا متوجه شوید نیرو منتشر شده در المنت ما I2R است. به عبارت دیگر حرارت در تناسب با مقاومت است اما علاوه بر آن، متناسب با مجذور جریان است. بنابراین جریان دارای اثر بسیار بیشتری بر حرارت تولید شده نسبت به مقاومت است. اگر مقاومت را دوبرابر کنید، نیروی به دست آمده هم دو برابر می شود (خوب!)، اما اگر جریان را دو برابر کنید، نیروی به دست آمده چهار برابر می شود (عالی!). بنابراین جریان آن چیزی است که اهمیت دارد.به سادگی می توان محاسبه کرد که مقاومت در رشته یک لامپ رشته ای معمولی، چند صد اهم است. محاسبات را برای خود شما وا می گذارم!
حرارت مقاومت؟
ما اغلب به حرارت الکتریکی – آن چه المنت های حرارتی انجام می دهند – با عنوان «حرارت ژول» یا «حرارت مقاومت» اشاره می کنیم چنان که گویی مقاومت تنها عاملی است که اهمیت دارد. اما در حقیقت، همان طور که در بالا گفته شد، ده ها عامل مرتبط به هم در طراحی یک المنت حرارتی وجود دارد که باعث می شوند المنت در یک وسیله خاص به خوبی کار کند. مقاومت همیشه آن چیزی نیست که قادر به کنترل یا تعیین آن باشید بلکه اغلب به واسطه نوع ماده، ابعاد المنت حرارتی و سایر موارد تعیین می شود.
