Sie könnten denken, ein Heizelement müsste einen wirklich hohen Widerstand haben - schließlich ist es der Widerstand, der es dem Material ermöglicht, Wärme zu erzeugen. Aber das ist eigentlich nicht der Fall. Was Wärme erzeugt, ist der Strom, der durch das Element fließt, nicht der Widerstand, den es fühlt. Es ist viel wichtiger, den maximalen Strom durch ein Heizelement fließen zu lassen, als diesen Strom durch einen großen Widerstand zu zwingen. Dies mag verwirrend und kontraintuitiv erscheinen, aber es ist ziemlich leicht zu erkennen, warum es sowohl intuitiv als auch mathematisch wahr ist (und sein muss).
Intuitiv ...
Angenommen, Sie haben den Widerstand Ihres Heizelements so groß wie möglich gemacht - tatsächlich unendlich groß. Dann sagt uns das Ohm-GG-Gesetz (Spannung=Strom × Widerstand oder V=IR), dass der durch Ihr Element fließende Strom unendlich klein sein müsste (wenn I=V / R, nähere ich mich Null, wenn R gegen unendlich geht). Sie hätten einen unglaublichen Widerstand, keinen Strom und daher keine erzeugte Wärme. Richtig, was wäre, wenn wir zum entgegengesetzten Extrem gehen und den Widerstand unendlich klein machen würden? Dann hätten wir ein anderes Problem. Obwohl der Strom I sehr groß sein könnte, wäre R praktisch Null, so dass der Strom wie ein Expresszug durch das Element fließen würde, ohne anzuhalten, und überhaupt keine Wärme erzeugen würde.
Was wir in einem Heizelement brauchen, ist daher ein Gleichgewicht zwischen den beiden Extremen: genug Widerstand, um Wärme zu erzeugen, aber nicht, um den Strom zu stark zu reduzieren. Nichrome ist eine gute Wahl. Der Widerstand eines Nichromdrahtes ist (ungefähr) 100-mal höher als der eines Drahtes der gleichen Größe aus Kupfer (ein ausgezeichneter Leiter), aber nur ein Viertel so hoch wie der eines Graphitstabs ähnlicher Größe (ein ziemlich guter Leiter) und vielleicht nur eine Million Billionenstel eines wirklich guten Isolators wie Glas. Die Zahlen sprechen für sich: Nichrom ist ein durchschnittlicher Leiter mit nur mäßigem Widerstand und kein entfernter Isolator!
Mathematisch...
Mit Mathematik können wir genau die gleiche Schlussfolgerung ziehen. Die durch einen Stromfluss erzeugte oder verbrauchte Leistung entspricht der Spannung mal dem Strom (Watt=Volt × Ampere oder P=VI). Wir wissen auch aus dem Gesetz von Ohm GG, dass V=IR ist. Eliminieren Sie V aus diesen Gleichungen und wir finden, dass die in unserem Element verbrauchte Leistung I2R ist. Mit anderen Worten ist die Wärme proportional zum Widerstand, aber auch proportional zum Quadrat des Stroms. Der Strom hat also einen viel größeren Einfluss auf die erzeugte Wärme als auf den Widerstand. Verdoppeln Sie den Widerstand und Sie verdoppeln die Leistung (großartig!), Aber verdoppeln Sie den Strom und vervierfachen Sie die Leistung (fantastisch!). Auf den Strom kommt es also wirklich an.
Es ist leicht zu berechnen, dass der Widerstand des Filaments in einer typischen Glühlampe einige hundert Ohm beträgt. Ich überlasse Ihnen die Berechnung!
