Dlaczego rezystor się grzeje, czyli moc w obwodach prądu stałego

W poprzednich artykułach kilkukrotnie wspominałem o zagadnieniu mocy, m.in. we wpisie „Jak dobrać rezystor do diody LED?”. Moc nierozłącznie związana jest z prądem i napięciem elektrycznym. Dziś postaram się opowiedzieć Ci jak to się dzieje, że energia elektryczna zamienia się w ciepło i jaki ma to związek z rezystancją. Będzie też o tym jak odwrócić ten proces, tzn. „Jak ciepło zmienić w prąd?”.

Czym jest moc?

Moc możemy rozumieć na różne sposoby. Możemy kojarzyć ją z energią. Im samochód porusza się szybciej tym większa moc się wydziela, trzeba mu dostarczyć więcej energii. Żarówka świeci tym jaśniej, im więcej energii elektrycznej pobiera z sieci. Wreszcie, im cięższe zakupy niesiesz tym więcej energii potrzebujesz, Twoje mięśnie jej potrzebują, część energii wydzieli się w postaci ciepła. Może nie są to super-hiper precyzyjne przykłady, ale chodzi mi o to byś intuicyjnie czuł o co chodzi. Jeśli sam nie do końca rozumiesz, to nie martw się – nie jesteś sam! Nawet Alexander Graham Bell wspominał…

„What this power is, I cannot say. All I know is that it exists(…)”

Co znaczy mniej więcej: „Nie potrafię powiedzieć, czym jest moc. Wszystko co wiem, to fakt, że istnieje(…)”. Wróćmy jednak do sedna. Chodzi nam przede wszystkim o moc w odniesieniu do elektryczności, a konkretniej o moc w obwodach prądu stałego. Zjawisko z pozoru banalne, jednakże bagatelizowanie go może przynieść nieprzyjemne skutki 🙂

Jaki to ma związek z prądem i napięciem?

A taki, że moc dla prądu stałego to nic innego, jak iloczyn wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego. Po prostu…

$\rm{P=UI}$

Im większe jest napięcie, tym większa jest moc. Tak samo z prądem – im większe jest natężenie przepływającego prądu… Resztę dopisz sam! W samym wzorze i definicji nie ma nic trudnego. Ciekawe są jednak efekty działania owej „mocy”. Nikomu nie polecam (ba, przestrzegam przed tym!) beztroskich zabaw z akumulatorem samochodowym 12V, szczególnie osobom, które nie mają żadnego doświadczenia w elektronice. Akumulator taki mimo – jak się może wydawać – małego napięcia znamionowego, może dać nam duży prąd. Jak duży? Załóżmy, że masz akumulator oznaczony 50Ah. Oznacza to, że jest on w stanie (teoretycznie) zasilać jakieś urządzenie prądem 50A przez jedną godzinę (50A*1h), 25A przez dwie godziny czy 10A przez pięć godzin. Tak, jak wspomniałem, teoretycznie, bo w praktyce długotrwałe pobieranie z niego dużego prądu może skutkować szybkim „wyczerpaniem”. Ale nie w tym rzecz. Jeśli zewrzesz przez pomyłkę „plus z minusem”, to może popłynąć – przez bardzo krótką chwilę – bardzo duży prąd. Co może skończyć się nawet wybuchem owego akumulatora. A już na pewno wydzieli się duże ciepło…

Moc a rezystancja, czyli dlaczego rezystor się grzeje?

No właśnie, a jak to jest z rezystorami? Są trzy podstawowe parametry rezystora. Pierwszy to oczywiście jego rezystancja wyrażona w omach. Rezystancja ta jest wyrażona z pewną tolerancją, tzn. pewną odchyłką, która z kolei wyrażana jest w procentach. Przykładem będzie rezystor o wartości 5600Ω (jak kto woli 5.6kΩ) i tolerancj 5%. W praktyce oznacza to, że „zdrowy” rezystor może mieć rzeczywistą wartość z przedziału 5.6kΩ±5%, czyli od 5320Ω do 5880Ω. Trzecim ważnym parametrem jest moc znamionowa rezystora, która podawana jest w watach. Jest to wartość mocy, której nie powinniśmy przekraczać. Często używane „małe rezystorki” mają moc ćwierć wata (0.25W = 250mW). Nie oznacza to jednak, że poniżej tej mocy wszystko jest ok i rezystor się nie grzeje.

Zrobiłem mały test. Wziąłem rezystor o wartości 1kΩ, tolerancji 5% i mocy 0.25W. Podłączyłem go do zasilacza laboratoryjnego. Przy napięciu 10V i prądzie 8mA na rezystorze wydziela się moc 80mW. Nie jest on gorący, ale jest już ciepły. Nie mogę w tej chwili precyzyjnie zmierzyć jego temperatury, ale szacuje ją na jakieś 40ºC, po około minucie. Kilkanaście – kilkadziesiąt takich rezystorków w zamkniętej obudowie Twojego urządzenia i może zrobić się mała grzałka. Zwiększyłem nieco moc. 15V i 13mA daje nam 195mW. Nadal mniej, niż moc znamionowa – temperatura jest dużo wyższa, czuć lekkie „parzenie”. Po niewielkim przekroczeniu mocy znamionowej (ok. 288mW) jest już naprawdę gorąco, rezystor nie uległ zniszczeniu, ale można się bardzo szybko poparzyć. Co jeśli moc przekroczymy wielokrotnie? Będzie naprawdę gorrrąco 😀 Rezystor może się po prostu spalić, a nawet wywołać pożar, oby jednak skończyło się tylko na nieprzyjemnym zapachu. Dlatego należy uważać!

Zmieniamy ciepło w prąd

A gdyby tak odwrócić proces? Wiesz, ciepło zmienić w prąd – jak myślisz, da się? Da się, a czy jest to opłacalne i wydajne to już inna kwestia (to zależy…). Skupię się pokrótce na samych możliwościach. Jednym ze sposobów na wytworzenie prądu z ciepła jest wykorzystanie „ogniwa Peltiera”. Zapewne nazwa obiła Ci się już kiedyś o uszy. W swoim standardowym zastosowaniu ogniwo Peltiera służy do chłodzenia i jest zasilane prądem elektrycznym, dobrym przykładem są przenośne lodówki turystyczne. Ogniwo takie jest zbudowane z dwóch płytek oddzielonych materiałem półprzewodnikowym. Masz tu do czynienia z tzw. „efektem Peltiera”. Polega to ogólnie na tym, że takie ogniwo, gdy jest zasilane, z jednej strony się nagrzewa, a z drugiej chłodzi. Nie wnikając w szczegóły – domyślasz się już w jaki sposób odwrócić ten proces i „z ciepła zrobić prąd”? Chodzi tu o różnicę temperatur. Jeśli z jednej strony ogniwo będziemy ogrzewać, a z drugiej chłodzić, to będziemy mogli zaobserwować przepływ prądu, powstaje w ten sposób siła elektromotoryczna (SEM). Jest to efekt odwrotny do „efektu Peltiera” i nosi nazwę „efektu Seebecka”.

Innym przykładem swego rodzaju „niekonwencjonalnego wytwarzania energii elektrycznej” jest tzw. silnik Stirlinga. O nim mogłeś nie słyszeć, przyznam szczerze, że ja również dowiedziałem się o nim całkiem niedawno. Generalnie taki silnik przekształca energię cieplną w energię mechaniczną, no a przecież można pójść o krok dalej i energię mechaniczną przekształcić w energię elektryczną, czyli prąd.

Na koniec wspomnę, że prąd na dużą skalę również wytwarzany jest przy pomocy ciepła – chociażby w elektrowni węglowej 🙂

Podsumowanie

Dobrnęliśmy do końca. Mam nadzieję, że Ci się podobało. Jeśli tak, to zapraszam Cię do polubienia strony elektroniczny.eu na facebooku. Komentarz pod artykułem również mile widziany.