Elektrický proud a teplo

V tepelných elektrických spotřebičích se mění elektrická energie ve vnitřní energii vodičů. To se projevuje jejich zahříváním. Zahřívání vodičů při průchodu elektrického proudu si vysvětlujeme srážkami volných elektronů v kovu s jeho ionty, přičemž elektrony předávají vodiči část své kinetické energie. Tím se zvětšuje celková vnitřní energie vodiče. Vodič má vyšší teplotu než okolí a tepelnou výměnou je předává svému okolí.

Protože vodič předává teplo na úkor odebrané elektrické energie, určíme je stejným způsobem, jako jsme určovali práci elektrického proudu v předchozím článku. Prochází–li vodičem při napětí U proud I po dobu t, platí pro teplo Q_J

Uvedený vztah pochází z roku 1841 a nazývá se po svých objevitelích Joulův–Lenzův zákon a teplo Q_J je označováno Jouleovo teplo.

Na přeměně elektrické energie ve vnitřní energii vodiče je založena funkce tavné pojistky a elektrické plotýnky. Tavné pojistky se používají jako ochrana vedení před přetížením (např. při zapojení více výkonných spotřebičů), popř. zkratem. Nadměrným proudem se tavný drátek pojistky přetaví, a tím přeruší elektrický proud v obvodu. Tavné pojistky jsou konstruovány na určité hodnoty maximálního proudu.

Jednou z prvních aplikací elektrického proudu bylo jeho využití u elektrické topné spirály. Při průchodu elektrického proudu odporovou spirálou zalitou v keramické hmotě vzniká teplo, které zahřívá kovou plotýnku, kterou je spirála přikrytá. První jednoduché aplikace měly často pouze topnou spirálu uloženou v šroubovité drážce (nejčastěji v šamotovém tělese) a příkon takového vařiče, plotýnky, se nedal nijak regulovat. V dalším vývoji tohoto principu již měly plotýnky topné těleso rozděleno nejčastěji na tři skupiny a spínač připojoval např. po 200 W příkon na 200, 400 a 600 W. Dnes bývá počet regulačních stupňů většinou až šest, čímž se dosahuje hospodárnějšího využití elektřiny. Dnešní sporáky se dělají s varnou deskou vyrobenou buď z litinových plotýnek nebo se sklokeramickou deskou. Sklokeramická deska je sice dražší, ale energeticky úspornější. Použitý sklokeramický materiál má extrémně nízkou tepelnou roztažnost, proto ani při velkých teplotních rozdílech nepraská. Sklokeramickou desku může ohřívat topná spirála, halogenová trubice a indukční spirála.

Plný výkon dosahuje plotýnka již za 10 až 20 sekund. V plotýnkách jsou umístěna čidla, termostaty, které udržují stálou teplotu plotýnek a současně zamezí jejímu přehřátí. V tom je i rozdíl oproti dřívějším litinovým plotýnkám. Tam se, ve většině případů, pro regulaci ohřevu mění příkon plotýnky. Čím větší příkon, tím je i větší teplota plotýnky. U sklokeramického systému je příkon plotýnky stále stejný, ale teplota se mění podle doby zapnutí, připojení na síť. 

Zajímavost z historie:
Elektrickým proudem můžeme tenký vodič (např. platinový drátek) rozžhavit na tak vysokou teplotu, že začne svítit. Této vlastnosti využilo spousta vynálezců k sestrojení žárovky. Až dison v letech 1878 až 1880 sestrojil žárovku s uhlíkovým vláknem, která na rozdíl od svých předchůdkyň byla schopná zářit stovky i tisíce hodin. Poprvé se Edisonovi rozsvítila jeho první žárovka dne 21. října 1879 v laboratoři v Menlo Parku a svítila přes 45 hodin. Za rok po objevu už Edisonovy žárovky v počtu 300 osvětlovaly paroloď Columbia mířící z Ameriky do Evropy.

Thomas Edison.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Louis Bachrach, 1922. Public domain.Edison používal bambusové, později celuloidové vlákno, které bylo zuhelnatěno žíháním v petroleji a umístěno ve skleněné vzduchoprázdné baňce. Z Planckova vyzařovacího zákona vyplývá, že čím žhavější je vlákno, tím více světla žárovka vysílá ve viditelném oboru. Pokusy Anera von Weissbacha přinesly v roce 1898 vlákno osmiové, pokusy pozdějších vynálezců vlákna tantalová a nakonec v roce 1904 wolframová (o průměru méně než 0,05 mm), která jsou svinuta do tenké volně zavěšené spirály (vlákno se vlivem teploty roztahuje a smršťuje). Od roku 1813 Irving Langmuir přišel s plněním žárovek směsí argonu a dusíku, aby se vlákno mohlo rozžhavit až na teplotu 2800 °C.