Elektrisch erzeugte Verlustwärme im Vakuum

Alexander schrieb:
> Hallo liebe MC'ler,
>
> ich habe gelesen, dass wärme im Vakuum nicht abgeführt werden kann. Was
> heißt das eig. genau ? Und wo sind die Nachteile, dass man diese Wärme
> nicht abführen kann ?
>
> In dem Bericht ging es darum, dass eine Spule im Vakuum solang
> stromdurchflossen war, dass diese sehr warm wurde.
>
> Ich hoffe, ihr könnt mich aufklären!

Die Umgebung der Spule kann die Wärme nicht abführen, wenn keine Luft 
vorhanden ist. Sie kann demzufolge die Wärme nur durch Strahlung 
abgeben.

ich schrieb:
> Alexander schrieb:
>> Hallo liebe MC'ler,
>>
>> ich habe gelesen, dass wärme im Vakuum nicht abgeführt werden kann. Was
>> heißt das eig. genau ? Und wo sind die Nachteile, dass man diese Wärme
>> nicht abführen kann ?
>>
>> In dem Bericht ging es darum, dass eine Spule im Vakuum solang
>> stromdurchflossen war, dass diese sehr warm wurde.
>>
>> Ich hoffe, ihr könnt mich aufklären!
>
> Die Umgebung der Spule kann die Wärme nicht abführen, wenn keine Luft
> vorhanden ist. Sie kann demzufolge die Wärme nur durch Strahlung
> abgeben.

Und wo sind dann die Nachteile, wenn die Wärme durch Strahlung 
abegegeben ist bzw. wo liegt das Problem ?

Weil anscheinend ist es ja ein Problem, dass die Wärme nicht durch die 
Luft abgeführt werden kann.

Luft kann Wärme abführen, weil die Atome der Luft Energie aufnehmen 
können (wie alle Atome - denke ich.

Im Normalfall strömt Warme nach oben, von unten strömt kalte Luft nach. 
So wird die Energie nach oben weg transportiert.

(Ideales) Vakuum hat keine Atome, die Energie aufnehmen könnten.

Alexander schrieb:
> Und wo sind dann die Nachteile, wenn die Wärme durch Strahlung
> abegegeben ist bzw. wo liegt das Problem ?
>
> Weil anscheinend ist es ja ein Problem, dass die Wärme nicht durch die
> Luft abgeführt werden kann.

In atmosphärischer Umgebung besteht die Wärmeableitung aus Strahlung UND 
Konvektion. Wobei die Konvektion den überaus größeren Anteil hat. Die 
umgebende Luft hat ja Kontakt mit der heißen Spule, also einen 
geringeren thermischen Widerstand. Genau dieser Kontakt fällt aber im 
Vakuum weg. Übrig bleibt nur die Strahlung.

Luft kann Wärme abführen, weil die Atome der Luft Energie aufnehmen 
können (wie alle Atome - denke ich).

Im Normalfall strömt Warme nach oben, von unten strömt kalte Luft nach. 
So wird die Energie nach oben weg transportiert.

(Ideales) Vakuum hat keine Atome, die Energie aufnehmen könnten.

Die meisten warmen Dinge (z.B. Glühlampen und auch LED's) geben nur 
einen Bruchteil ihrer Energie als Strahlung ab. Der größe Teil wird von 
der Umgebungsluft abtransportiert.

Ohne Luft kann die Glühpampe nur die Strahlung loswerden. Der rest der 
Wärme bleibt vor Ort und staut sich auf.

Ja aber wo liegt das Problem, wenn Wärme mit strahlung abgeführt wird?

Alexander schrieb:
> Ja aber wo liegt das Problem, wenn Wärme mit strahlung abgeführt wird?

Der Transport ist "ineffektiv" und es wird viel mehr Temperaturdifferenz 
benoetigt...

Alexander schrieb:
> Ja aber wo liegt das Problem, wenn Wärme mit strahlung abgeführt
> wird?

Es ist nur ein BRUCHTEIL dessen, was durch die Luftströmung möglich 
wäre. Deswegen Wärmestau in der Spule.

>Ja aber wo liegt das Problem, wenn Wärme mit strahlung abgeführt wird?
Wir wissen ja nicht, in welchem Zusammenhang das als Problem bezeichnet 
wurde. Du solltest zu Texten immer die Quelle angeben.

An sich gibt es mit der Abführung von Wärme durch Strahlung kein 
Problem. Die Frage ist nur ob genug Wärme abgeführt wird um das Gerät 
nicht zu beschädigen. In Luft, kommt zu der Abführung durch Strahlung 
eben noch die Abführung durch Konvektion hinzu.

Bei Vakuum erfolgt keine Wärmeabfuhr durch Konvektion, sondern nur durch 
Abstrahlung von infraroten elektromagentischen Wellen.

Die Strahlungsleistung ist proportional der vierten Potenz der Absoluten 
Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz) [1]

Bei Wärmeleitung durch Konvektion und über Kontaktflächen ist die 
Leistung protpotional der Temperatur*differenz* und umgekehrt 
proportional dem Wärmewiderstand.

D.h. ein Körper, der im Vakuum eine eingebrachte Leistung eben einzig 
und allein über Strahlung abführen muss wird sehr viel heißer, als ein 
Körper, der es über Konvektion oder Kontakt tun darf.

Einfaches Rechenbeispiel aus der Praxis:

Der Die eines MOSFETs (IRF540) sei als Kugel mit dem Durchmesser 1 mm 
()r=0,5 mm modelliert.
Das entspricht einer Kugeloberfläche von 3,14 mm² = 3,14e-6 m3, bzw. 
einer Kantenlänge des Chips von sqrt(pi) Millimeter, also  rund 1,77 mm, 
was plausibel erscheint.
Angenommen, der Chip setze eine Verlustleistung von nur 1 W um und gebe 
sie im Vakuum nur durch Strahlung ab. Einsetzen in das 
Stefan-Bolzman-Gesetz ergibt eine absolute Temoperatur von 1539 K also 
rund 1260°C, was knapp unter dem Schmelzpunkt des Siliziums liegt.

Der MOSFET, selbst frei stehend montiert hat aber einen max. thermischen 
Widerstand von 62 K/W, d.h. der Chip wird also gerade mal 62 K über der 
Umgebung warm. Bei 25°C Raumtemperatur also gerade mal 87°C.
Weil er eben seine Wärme durch Konvektion der Luft, die Kontakt mir dem 
Gehäuse hat abgeben kann bei einer moderaten Temperatur, und eben nicht 
wahnsinns heiß werden muss, um ein thermisches Gleichgewicht 
herzustellen.

[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz

Du hast, unter normalen Umständen, drei Möglichkeiten Wärme loszuwerden:
1. Konvektion    Strömende Luft, Wasser oder ähnliches
2. Strahlung     Die gute, alte Infrarotstrahlung, aber auch Strahlung
                 Jeglicher Art.
3. Wärmeleitung  Kupfer ist in dieser Hinsicht ein regelrechtes Leckerli
                 aber auch das gute alte Eisen entsorgt Dir Wärme.

Nur Punkt 1 macht mangels Teilnehmern Probleme.

Warum aber nicht Nümmerli 3 nutzen?

A. K. schrieb:
> M.N. schrieb:
>> Der Die eines MOSFETs (IRF540) sei als Kugel mit dem Durchmesser 1 mm
>> ()r=0,5 mm modelliert.
>
> Ein realistisches Modell für TO-220?

Nein, aber für den Die. Bitte weiterlesen:

>bzw. einer Kantenlänge des Chips von sqrt(pi) Millimeter, also  rund 1,77 mm, was 
plausibel erscheint.

Nur der Die erzeugt die Verlustleistung und muss sie loswerden. Das 
TO220-Gehäuse steht in direktem Kontakt mit dem Die und "kühlt" ihn 
durch Wärmeleitung, zählt also explizit nicht mehr zum Vakuum.

Hab ich das nun richtig verstanden:

Da die Wärme nur durch Strahlung abgeführt wird und diese nicht so 
effektiv wie Luft ist, wird die Spule heiß bleiben.

Bzw.:

Angenommen ich schicke durch eine normale Luftspule, welche Luftgekühlt 
ist, 20 A durch und diese erwärmt sich nach 3 min. auf 100 Grad.

Unter den selben Bedingungen im Vakuum wäre die Erwärrmung nicht 100 
Grad sondern höher, da ja weniger abgeführt wird als in der Luft, 
richtig?

Edit: der R_th_JC ist mit gerade mal mit 1 K/W angegeben. Im Vakkuum 
gibt es kein Case, keine Luft kein gar nichts. Es ist keine Wärmeleitung 
möglich, sondern nur Strahlung.
Von daher hinkt der Vergleich nicht allzu sehr, oder?

Amateur schrieb:
> Warum aber nicht Nümmerli 3 nutzen?

Macht man ja, Beispiel Alukernplatinen, aber wohin willst du die in 
einem Satelliten leiten ?
Der ist froh, wenn er die Sonnenseite in den Schatten bekommt 
)Abdeckfolie) und auf der abgewandten Seite die paar Watt per Strahlung 
los wird.

Man versieht Raumsonden mit einer absorbierenden Seite, die auch gut 
abstrahlt und einer reflektierenden. Dann kann man die Temperatur durch 
das Flaechenverhaeltnis, das zur Sonne zeigt einstellen.

Alexander schrieb:
> Da die Wärme nur durch Strahlung abgeführt wird und diese nicht so
> effektiv wie Luft ist, wird die Spule heiß bleiben.
Nein. Weder Wärme, noch Strahlung, noch Luft sind "effektiv". Es geht um 
den Vergleich der durch Strahlung und der durch Konvektion abgegebenen 
Wärme. Wenn man das Wort "effektiv" hier verwenden will so ist beides 
effektiv oder auch nicht, je nachdem welchen Aufwand man ansetzt - nur 
kann es eben im Vakuum keine Abführung der Wärme durch Konvektion geben.

>
> Bzw.:
>
> Angenommen ich schicke durch eine normale Luftspule, welche Luftgekühlt
> ist, 20 A durch und diese erwärmt sich nach 3 min. auf 100 Grad.
>
> Unter den selben Bedingungen im Vakuum wäre die Erwärrmung nicht 100
> Grad sondern höher, da ja weniger abgeführt wird als in der Luft,
> richtig?
Ja.

> Wie machen die das wohl bei den Radionuklidbatterien z.B. von dem
> grossen Mars Rover Curiosity? Der hat immerhin 2kW thermische Leistung.
> Der Rover muss also einen ständig glühenden Hintern haben...

In irgendeinem Amerikanischen Helden-Film hatten sie Flaschen mit einem 
Gas dabei, welches zur Kühlung der Technik diente. Aufgrund eines 
ungeplant längeren Aufenthaltes im All ging ihnen das Gas aus und die 
Elektronik ging kaputt.

Ich weiss, in Filmen wird auch viel quatsch gezeigt. Immerhin kann ich 
mir vorstellen, das es so funktionieren könnte.

Hi alle zusammen,

Diese Frage könnte durch das Studium des Aufbaus und Wirkungsweise der 
Elektronenroehre beantwortet werden.

Stichwort Anode und deren Verlustleistung!

Viel Spass dabei