Strålevarme og spændingsniveau

Spændingsniveauet leveres nu om dage med en tolerance på ± 10 % i forsyningspunktet, jf elselskabernes leveringsbeting­elser. Refererencen er europanormen DS/EN 50160, Karak­teristika for spændingen i offentlige elektricitetsforsy­nings­net. Med en nominel effektiv fasespænding på 230 V betyder det, at fasespændingen kan befinde sig et sted inden for intervallet 207-253 V.

Hvad betyder det for en brugsgenstand, der er baseret på afgivelse af strålevarme, hvis forsyningsspændingen afviger fra den nominelle værdi?

Typer af varmetransport

Varmetransport ved hjælp af et medie som en væske eller en gas betegnes som varmeovergang, varmestrømning eller konvektion (convection). Ved en radiator, der opvarmer den omkringværende luft, hvorefter den opvarmede luft stiger til vejrs og afgiver plads til en ny portion luft, er der tale om konvektion. Varmetransporten ved konvektion kan være "fri" som i det nævnte eksempel eller den kan være forceret (fx med en ventilator eller en pumpe).

Endelig er der strålevarme (radiation), som ikke gør brug af noget medie for at virke fra et sted til et andet. Solen, der befinder sig mange tusinde km fra jorden (~149.597.900 km), leverer varme til jorden i form af strålevarme. Når stråling rammer et legeme kan strålingen enten blive absorberet, reflekteret eller strålingen kan diffundere (gå igen­nem legemet). Strålevarme er en del af det elektromagnetiske spektrum og udgøres særligt af det infrarøde om­råde, men også det synlige lys.

Brugsgenstande baseret på strålevarme er fx varmelamper i landbruget for mindre dyr som kyllinger og små­grise, infrarøde varmepærer hos slagteren til at holde tilberedt mad varmt, terrassevarmere og brødristere mv.

I "Elektriciteten i Landbrugets Tjeneste" fra 1928, er der følgende beskrivelse af et varmelegeme baseret på strålevarme.

Der findes to forskellige Typer af elektriske Ovne, nemlig Radiatorovne og Straaleovne.
Radiatorovnen ligner en Centralvarmeovn; den faas i flere Størrelser og er beregnet paa en jævn Fordeling af Varmen i Værelset.
Straaleovnen tager derimod ikke særligt Sigte paa at hæve Temperaturen i et Værelse, men derimod paa at opvarme et bestemt Sted eller enkelte Personer. Man anbringer den i en Stilling, saa den kaster Varmestraalerne i den ønskede Retning, f. Eks. paa en Person. Naar Vedkommende blot befinder sig vel og er passende varm, kan det jo være temmelig ligegyldigt, hvad Temperatur, der ellers er i Værelset. Gigtlidende Mennesker bruger ligeledes Straaleovnen til at skaffe sig Lindring ved at lade sig bestraale paa den syge Legemsdel.

[Elektriciteten i Landbrugets Tjeneste, 1928]

Illustration fra "Elektriciteten i Landbrugets Tjeneste", 1928. Billed­teksten lyder som følger: "Ogsaa til at lune Sengen i et koldt Gæste­værelse er en elektr. Straaleovn fortræffelig. (Bedstemor »damper Lagener af«)".

Strålevarme og temperatur

Varmeudstråling fra et legeme kan tilnærmelsesvist beskrives ved følgende formeludtryk.

Φ = A·e·σ·T4

Stråleeffektens afhængighed af den absolutte temperatur opløftet i fjerde potens betyder, at hvis varmelegemets absolutte temperatur reduceres med 10 %, som følge af en lavere spænding, så daler den udstrålede effekt med 34 %, hvis emis­sions­koefficienten e tilnærmelsesvist regnes for konstant. En temperaturreduktion på 20 % resulterer i en reduceret effektudstråling med 59 %.

Det har vist sig, at materialers evne til at afgive stråling følger evnen til at absorbere stråler. Det er velkendt, at en sort trøje i sollys opleves betydeligt varmere end fx en hvid trøje. Det skyldes, at den sorte trøje i langt højere grad end den hvide absorberer solens stråling, der i trøjen omsættes til varme. Men den sorte trøje vil altså også langt bedre end den hvide trøje være i stand til udsende varmestråling. Denne lovmæssighed er årsagen til, at kølepro­filer på elektriske komponenter, der skal af med varme for ikke at brænde af, er matsorte.

Køleprofiler er matsorte for at optimere udstrålingen af varme.

Et "absolut sort legeme" absorberer al indkommende stråling ved alle temperaturer. Emissionskoefficienten e i oven­stå­ende formel vil være lig med én. Et legeme, som reflekterer al stråling som rammer det, vil have en emis­sions­koeffi­cient som er lig med nul. En blank sølvoverflade vil i høj grad reflektere indkommende stråling, men vil altså pga den nævnte sammenhæng også i høj grad være tilbageholdende med at udsende varmestråling.

Den indre flade i en termoflaske er sølvblank for at minimere ab­sor­be­ring og diffusion af varmestråling fra den indeholdte varme væske.

Den italienske fysiker Macedonio Melloni (1798-1854) har undersøgt, hvor tykt et lag af et givet stof, der har betydning for varmeudstrålingen fra et legeme.

Metallers Udstraaling er i høj Grad afhængig af, hvorledes Overfladen er behandlet. Sølv udfældet paa en Kobber­plade udstraaler 5,3, valset Sølv udstraaler 3 og poleret Sølv kun 2,1. Jo tættere det yderste Lag bliver, og jo jævnere (blankere) Overfladen bliver ved Hamring eller Polering, des mindre er Udstraalingen. Vil man skærme et Legeme mod at tabe Varme ved Straaling, maa man omgive det med blankt poleret Metal.

En ridset Overflade udstraaler betydelig mere end en blank poleret.

Det har aabenbart sin Interesse at vide, hvor tykt det Overfladelag er, som tager Del i Varmeudstraalingen. Melloni undersøgte denne Sag ved at smøre et jævnt Lag Fernis paa en af de metalblanke Sideflader paa Leslies Tærning og bestemme Udstraalingen fra den ferniserede Side; derpaa smurte han endnu et Lag paa, bestemte atter Udstraalingen, o. s. v. Han fandt da:

Antal Lag:	1	2	3	4	5	6	8	10	14	18
Udstraaling:	9,3	13,9	17,8	21,3	24,5	27,4	32,8	35,8	40,3	40,8

Udstraalingen blev nu uforandret, selv om han smurte flere Lag Fernis paa. Man faar herigennem at vide, at Udstraa­lingen fra Fernisoverfladen voksede lige til det 18de Lag. Først med det 18de Lag blev Fernislaget saa tykt, at Varmestraalerne kun udgik fra dette, saa at den indenfor liggende Metalflade ingen Rolle spillede. Melloni maalte, at de 18 Fernislag paa Tærningsiden tilsammen havde en Tykkelse paa 0,04 Millimeter.

For andre Stoffer har det udstraalende Lag andre Tykkelser; Melloni fandt saaledes, at en Guld-Overflade udsendte Straaler fra en Dybde, der er mindre end 0,002 Millimeter.

[Poul la Cour og Jacob Appel: Historisk Fysik, 1897]

Eksperiment med ristning af brød

Brød ristet ved 207 V, 230 V og 253 V. Ristetiderne er afpasset så en enslydende energi er blevet afsat i brødristeren ved de 3 spændinger.

Ovenstående 3 ristninger har energimæssigt kostet det samme. Hvis man skulle ønske sig en brunhed på brødet som på billedet i midten ved den nominelle spænding på 230 V, skal man altså, udover at det tager længere tid, bruge mere energi, hvis rist­ningen udføres ved kun 207 V. Omvendt kan der spares energi, hvis forsynings­spænd­ingen overskrider den nomi­nelle værdi.

• Hvad er spændingskvalitet?
• Switch-mode strømforsyning og spændingsniveau
• Elektriciteten i Landbrugets Tjeneste, 1928

• Vejledning om spændingssænkning [danskenergi.dk]