Elektrisoojendusriistad

Elektrisoojendusriistades muutub töö, mida elektriväli elektronide suunatud liikumise tekitamiseks teeb, soojuseks, st $$ A=Q,$$ kus Q on juhis eraldunud soojushulk[sõnaseletus: soojushulk – siseenergia hulk, mille keha saab või kaotab soojuse ülekandel]. Seda soojushulka saab arvutada elektrivoolu töö valemitega.

Soojushulga sõltuvust voolutugevusest ja juhi takistusest tuntakse Joule’i-Lenzi seadusena[mõiste: Joule`i-Lenzi seadus – elektrivoolu toimel juhis eralduv soojushulk on võrdeline voolutugevuse ruudu, juhi takistuse ja ajaga], sest Inglise füüsik James Prescott Joule avastas seose 1841. aastal ja napilt aasta hiljem jõudis temast sõltumatult sama tulemuseni Vene füüsik Emil Lenz. Mõlemad mehed avastasid, et juhis elektrivoolu toimel  eralduv soojushulk on võrdeline voolutugevuse ruudu, juhi takistuse ja ajaga: $$ Q=I^2·R·t$$.

Elektrivoolu soojuslikku toimet rakendatakse elektrisoojendusriistades[mõiste: elektrisoojendusriist – seade, milles elektrienergia muundub soojusenergiaks], milleks on kõik seadmed, mis muudavad elektrienergia soojusenergiaks. Kodus on inimestel neid mitmesuguseid: elektripliit ja -radiaator, soojapuhur, triikraud, röster, jootekolb jms. Elektrisoojendusriista põhiosa on kütteelement[mõiste: kütteelement – elektrisoojendusriista osa, kus toimub soojuse eraldumine.Valmistatud kõrge sulamistemperatuuri ja suure eritakistusega ainest.], kus toimub soojuse eraldumine. Kütteelement on valmistatud ainest, millel on kõrge sulamistemperatuur $$ (\mathrm{üle} 700°C)$$ ja suur eritakistus.

Suurel osal elektrisoojendusriistadel on termoregulaator[mõiste: termoregulaator – elektrisoojendusriista osa, mis võimaldab muuta seadme temperatuuri], millega saab muuta seadme temperatuuri. Kui elektrisoojendusriist on saavutanud ettenähtud temperatuuri, lülitab regulaator elektrivoolu kütteelemendist välja. Kui aga temperatuur langeb ettenähtust madalamale, lülitab regulaator voolu uuesti sisse, st vool lülitatakse sisse ja välja automaatselt. Kui elektrisoojendusriistal pole termoregulaatorit, peame ise jälgima, et oleks tagatud hea võimalus soojuse üleandmiseks ümbritsevale keskkonnale, et vältida riista ülekuumenemist ja riknemist.

Juhtmete kokkujootmiseks ehk tinutamiseks[joonealune: Materjalide ühendamine jootetinaga, mis sulades märgab joodetavaid pindu, imbub liitepragudesse ja tahkudes moodustab püsiva liite.] kasutatakse jootekolbi, mis sulatab jootetina[joonealune: Tina ja plii sulam, mille abil liidetakse metallist detaile.]. Selleks peab jootekolvi temperatuur olema vähemalt 250 °C. Sama tugevusega vool, mis läbib jootekolvi kütteelementi, läbib ka juhtmeid, mis ühendavad kolbi seinakontaktiga. Aga miks ühendusjuhtmed ei kuumene?

Probleemi lahendamiseks tuleb vaadata voolu soojusliku toime valemit $$ Q=I^2·R·t$$. Valemist on näha, et tekkiv soojushulk sõltub peale voolutugevuse ka takistusest. Juhtme takistus on aga palju väiksem kui kütteelemendil, sest juhtmed on tehtud vasest, aga kütteelement mingist suure eritakistusega ainest.

Kütteelemendi ja juhtme takistust ei ole keeruline leida. Jootekolvi takistuse R saab leida valemist $$ N=\frac{U^2}{R}$$. Võtame kolvi võimsuseks näiteks 100 W ja pingeks 230 V ning arvutame takistuse: $$ R=\frac{U^2}{N}=\frac{{\mathrm{(230\; V)}}^2}{\mathrm{100\; W}}=\mathrm{530\; \Omega }$$. 

Juhtme takistuse leidmiseks lähtume valemist $$ R=\rho \frac{l}{S}$$. Vase eritakistus on $$ \mathrm{1,7}·{10}^{-8} \mathrm{\Omega }·\mathrm{m}$$. Võtame traadi pikkuseks 1 m. Kui traadi läbimõõt on 1 mm, on traadi ristlõikepindala $$ S=\pi ·r^2=$$$$ =\pi ·{\mathrm{0,5}}^2=\mathrm{0,785} {\mathrm{mm}}^2=\mathrm{78,5}·{10}^{-8} {\mathrm{m}}^2$$. Sellise traadi takistus on $$ R=\mathrm{1,7}·{10}^{-8} \mathrm{\Omega }·\mathrm{m}·\frac{\mathrm{1\; m}}{\mathrm{78,5} · {10}^{-8}{\mathrm{m}}^2}=\mathrm{0,022} \Omega $$. 

Kütteelemendi takistus on seega umbes 24 000 korda suurem kui juhtme takistus, sest $$ \frac{\mathrm{530\; \Omega }}{\mathrm{0,022\; \Omega }}\approx \mathrm{24\; 000}$$. See tähendab, et juhtmes eraldub 24 000 korda vähem soojust kui kütteelemendis ja sellest juhtme soojendamiseks ei piisa.