Można by pomyśleć, że element grzejny musiałby mieć naprawdę wysoką rezystancję — w końcu to odporność pozwala materiałowi na wytwarzanie ciepła. Ale tak nie jest. To, co generuje ciepło, to prąd przepływający przez pierwiastek, a nie ilość rezystancji, jaką czuje. Uzyskanie maksymalnego prądu przepływającego przez element grzejny jest o wiele ważniejsze niż wymuszanie tego prądu przez dużą rezystancję. To może wydawać się mylące i sprzeczne z intuicją, ale dość łatwo zrozumieć, dlaczego jest (i musi być) prawda, zarówno intuicyjnie i matematycznie.
Intuicyjnie...
Załóżmy, że odporność elementu grzejnego była tak duża, jak to tylko możliwe — w rzeczywistości nieskończenie duża. Następnie prawo Ohma (napięcie = rezystancja × prądu lub V = IR) mówi nam, że prąd przepływający przez element musiałby być nieskończenie mały (jeśli I = V / R, zbliża się do zera, gdy R zbliża się do nieskończoności). Można by mieć ogromny opór, nie ma prądu, a zatem nie ciepła produkowane. Tak, więc co by było, gdybyśmy poszli na przeciwległą skrajność i sprawili, że opór był nieskończenie mały. Wtedy mielibyśmy inny problem. Chociaż prąd może być ogromny, R będzie praktycznie zerowy, więc prąd będzie zip przez element jak pociąg ekspresowy, nawet nie zatrzymując się, produkując nie ciepła w ogóle.
To, czego potrzebujemy w elemencie grzejnym, to zatem równowaga między dwoma skrajnościami: wystarczającą odpornością na wytwarzanie ciepła, ale nie tak, że zmniejsza prąd zbyt nio. Nichrome to świetny wybór. Rezystancja drutu imrome jest (mniej więcej) 100 razy wyższa niż w przewodzie tej samej wielkości wykonanej z miedzi (doskonały przewodnik), ale tylko o jedną czwartą tyle, ile podobny pręt grafitowy o podobnej wielkości (dość dobry dyrygent) i może tylko milion bilionów, że naprawdę dobry izolator, taki jak szkło. Liczby mówią same za siebie: nichrome jest przeciętnym przewodnikiem o umiarkowanym rezystancji, a nie zdalnie izolatorze!
Matematycznie...
Możemy dojść do dokładnie tego samego wniosku z matematyką. Moc wytwarzana lub zużywana przez przepływ energii elektrycznej jest równa czasowi napięcia prądu (waty = wolty × amperów lub P = VI). Wiemy również z prawa Ohma, że V = IR. Wyeliminuj V z tych równań i okazuje się, że moc rozproszona w naszym elemencie to I2R. Innymi słowy, ciepło jest proporcjonalne do rezystancji, ale także proporcjonalne do kwadratu prądu. Tak więc prąd ma znacznie większy wpływ na wytwarzane ciepło niż na opór. Podwoić opór i podwoić moc (wielki!), ale podwoić prąd i czterokrotnie moc (fantastyczne!). Więc prąd jest tym, co naprawdę się liczy.
Łatwo jest obliczyć, że rezystancja żarnika w typowej żarówce wynosi kilkaset omów. Zostawię obliczenia do Ciebie!
