Werkstoffe durch elektr. Strom erwärmen

dimba · Anmeldungsdatum: 02.10.2012 Beiträge: 3

Hallo allerseits,

ich hoffe, dass ich hier bei euch richtig bin smile

Folgendes Problem habe ich:

Für eine Projektarbeit sollen Zugproben erwärmt und anschließend belastet werden, damit ich sie auf ihr mechanisches Verhalten hin untersuchen kann. Zum Erwärmen steht uns eine modifizierte Widerstandsschweißmaschine zur Verfügung. Kurz gesagt hat sie einfach zwei dicke Kabel, die an den Spannbacken angeschlossen werden. Der Messbereich der Probe ist schlanker als der Rest und hat eine Länge von 25 mm (3 mm Dicke, 20 mm Breite). Laut Theorie ist der Widerstand von einem stromdurchflossenen Leiter und damit die Erwärmung vom Querschnitt abhängig. Das hat sich auch so bestätigt, die Probe wird nur im Messbereich richtig heiß. Jetzt komme ich aber zu meinem Problem. In der Mitte ist die Probe zwar am heißesten, die Temperatur nimmt aber entlang der Längsachse ab und ist bereits 10 mm vom Messpunkt in der Mitte entfernt 3-4% niedriger. Das ist für aussagekräftige Warmzugversuche ja nicht so besonders toll.

Woran kann das liegen? Mein Freund Google konnte mir bisher leider nicht weiterhelfen. Liegt es vielleicht an der nicht idealen Probengeometrie, da die Temperatur sehr stark vom Querschnitt abhängt. Oder am Skineffekt? Wobei, so wie ich das verstanden habe, das nur zu Temperaturunterschieden der Probe von innen nach außen führt.

Wäre wirklich sehr dankbar, wenn mir das jemand mit elektrotechnischem Fachwissen erklären könnte.

Viele Grüße
f0cus

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Das klingt ein bisschen wie möglicherweise ein normaler Effekt durch Wärmeleitung im Material.

Der Messbereich (verengtes Material) wird stark geheizt und wird richtig warm, das dickere Material weniger stark und bleibt eher kühl.
Vom Rand des Messbereichs kann Wärme relativ gut in den direkt benachbarten dickeren (und kühleren) Bereich abfließen, darum dürfte der Rand des Messbereichs ein bisschen kühler sein als die Mitte des Messbereichs, von dem die Wärme weniger gut abfließen kann.

Trotzdem erscheint mir das ohmsche Heizen mit Strom eine relativ kontrollierte und einfache Heizmethode zu sein. Reicht es für deine Messzwecke vielleicht auch, die Temperatur des Messbereiches nur innerhalb eines gewissen Schwankungsbereiches/Fehlerbalkens angeben zu können/zu kennen?

D2 · Anmeldungsdatum: 10.01.2012 Beiträge: 1723

Wahrscheinlich spielt eine Rolle folgendes.
Je höher der Strom I, der durch den Widerstand fließt, desto größer wird durch die Erwärmung der Widerstand selbst. Also dort wo die größte Wärme herrscht, fällt die meiste Spannung ab, was zu einer nichtlinearen Verteilung der Wärme führt.
http://www.physikerboard.de/htopic,29358,lampen.html

dimba · Anmeldungsdatum: 02.10.2012 Beiträge: 3

Danke für die Antworten smile

!

@dermarkus
Die Wärmeleitung wird es wohl sein. Eigentlich hatte ich sie auch zuerst im Verdacht. Dachte dann aber, dass es nicht sein kann, weil es doch 6-7% Temperaturdifferenz zur Mitte sind (hab heute nochmal nachgeschaut) und es irgendeine andere physikalische Erklärung dafür gibt.

@D2
Denke nicht, dass man dein Beispiel so richtig auf meinen kleinen Messbereich anwenden kann. Lasse mich aber gerne eines Besseren belehren!

Nun aber noch eine andere Frage. Die Temperatur an den Proben wird mit Thermoelementen gemessen und heute ist mir aufgefallen, dass sobald die Stromquelle eingeschaltet wird, die Temperatur an einigen Messpunkten sofort um 20-30 °C (an einem Messpunkt hatte ich sogar einen negativen Wert) fällt und dann beginnt zu steigen. Schalte ich den Strom ab, springt sie an diesen Messpunkten um einige °C wieder hoch und fängt anschließend an zu sinken.
Hmmm, die Thermoelemente messen eine Thermospannung. An den Proben selbst liegt eine Spannung an. Sind die Thermoelemente deshalb für diesen Zweck ungeeignet? Wäre gut, wenn mich jemand bestätigen könnte, damit ich das an meinen Betreuer weitergeben kann und er für mich andere Messinstrumente organisiert Thumbs up!

dimba · Anmeldungsdatum: 02.10.2012 Beiträge: 3

Ach ja, habe ganz vergessen auf deine Frage einzugehen. Uns bleibt wahrscheinlich nichts anderes übrig, als die Versuche innerhalb eines Schwankungsbereichs zu fahren. Aber das werde ich noch mit meinem Betreuer abklären müssen.

D2 · Anmeldungsdatum: 10.01.2012 Beiträge: 1723

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Wenn sich durch Wärmeleitung Temperaturunterschiede eingestellt haben, dann kann so ein Effekt wie der von D2 erwähnte natürlich noch obendrauf kommen: Wenn dann an den sowieso schon heißeren Stellen stärker geheizt wird, weil da der Widerstand für den Strom größer ist, ist das also ein Effekt, der vorhandene Temperaturunterschiede verstärken kann.

Die Temperaturmesswertsprünge beim Stromeinschalten und -Ausschalten könnten vielleicht in der Tat was mit den Spannungen zu tun haben. Im Zweifelsfall also natürlich den Messwerten bei ausgeschaltetem Strom trauen, nicht denen bei angeschaltetem Strom.
(Für eine Erklärung als Wärmeabtransport durch Elektronen scheinen mir die von dir beobachteten Effekte allerdings eine zu kurze Zeitskala zu haben, wenn ich deine Beschreibung richtig aufgefasst habe.)

D2 · Anmeldungsdatum: 10.01.2012 Beiträge: 1723

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

D2, klar gibt es Effekte, die mit Elektronen und Wärmetransport zu tun haben. Wärmetransport ist aber eher allmählich und braucht seine Zeit, Spannungen ändern sich dagegen locker auch sehr sprunghaft. Deshalb hatte ich in diesem Zusammenhang hier eher nicht an Peltier gedacht.

D2 · Anmeldungsdatum: 10.01.2012 Beiträge: 1723