Elektrisches Heizelement

Ein elektrisches Heizelement ist ein Leiter, der elektrischen Strom in Wärme verwandeln soll, etwa in einem Wasserkocher, einem Backofen, einem Bügeleisen oder einem Warmwasserbereiter. Das älteste Patent darauf erhielt 1859 in den Vereinigten Staaten George B. Simpson, für einen Platindraht, der in die Rillen einer Specksteinplatte gelegt und aus Batterien gespeist wurde. Der Nickel-Chrom-Draht, 1906 von Albert Marsh patentiert, und das Rohrheizelement, eine Wendel in Magnesiumoxid in einem Metallrohr, 1921 von Charles C. Abbott von General Electric patentiert, machten Heizelemente langlebig.

Was es ist

Ein elektrisches Heizelement ist ein Leiter, der dem durchfließenden Strom einen Widerstand entgegensetzt und sich dadurch erhitzt. Auch ein Motor oder eine Lampe geben etwas Wärme ab, das Heizelement aber wird allein zu diesem Zweck gebaut, und fast die gesamte elektrische Energie, die es aufnimmt, tritt als Wärme aus. Heizelemente erwärmen das Wasser in Wasserkochern, Warmwasserbereitern und Waschmaschinen, die Luft in Backöfen und Heizgeräten und die Sohle eines Bügeleisens.

Zu einer flachen Spirale gewickelt, bildet ein Rohrheizelement die Kochplatte eines Elektroherds.

Es gibt zwei Hauptarten. Bei einem offenen Heizelement hängt der blanke Widerstandsdraht, meist zu einer Wendel oder einem flachen Band geformt, frei an der Luft auf Trägern aus Keramik oder Glimmer. Er wird schnell heiß und glüht rot, wie in einem Toaster, einem Haartrockner oder in den Stäben eines Heizstrahlers. Bei einem Rohrheizelement verläuft die Wendel in der Mitte eines Metallrohrs, das mit einem weißen mineralischen Pulver gefüllt ist, das sie vom Rohr fernhält. Das Rohr lässt sich zu Ringen und Schleifen biegen, in eine Kochplatte einbauen oder direkt ins Wasser tauchen.

Ein Heizelement ist Teil eines größeren Geräts. Ein Thermostat oder Regler schaltet es ein und aus, um die gewählte Temperatur zu halten, und eine Temperatursicherung unterbricht den Stromkreis bei Überhitzung. Heizelemente arbeiten mit Netzspannung, werden mehrere hundert Grad heiß und können durch Stromschlag töten. Verwenden Sie nur geprüfte Geräte, bauen, verdrahten oder reparieren Sie niemals selbst ein Heizelement oder seine Anschlüsse, und überlassen Sie jede Arbeit daran einer Elektrofachkraft.

Wie es funktioniert

Fließt Strom durch einen Draht, stoßen die bewegten Ladungen mit den Atomen des Metalls zusammen und geben Energie als Wärme ab. 1841 zeigte James Prescott Joule, dass die in einer bestimmten Zeit erzeugte Wärme dem Widerstand des Drahtes mal dem Quadrat der Stromstärke proportional ist. Bei fester Netzspannung wählt der Konstrukteur deshalb Länge und Querschnitt des Drahtes so, dass das Element genau die gewünschte Leistung aufnimmt: Ein kürzerer oder dickerer Draht lässt mehr Strom durch und heizt stärker.

In einem Heizstrahler glüht die blanke Wendel an der Luft, gewickelt auf einen Keramikstab.

Der Draht muss jahrelang Rotglut an der Luft aushalten. Die meisten Metalle oxidieren in Rotglut rasch, und Platin, das Simpson 1859 verwendete, widersteht zwar, ist aber selten und teuer. Albert Marshs Legierung aus Nickel mit weniger als der Hälfte Chrom, 1906 patentiert, hat einen hohen elektrischen Widerstand und bildet an der Oberfläche eine dünne, fest haftende Oxidschicht, die das Metall darunter schützt. Die übliche Sorte mit 80 % Nickel und 20 % Chrom geben die Hersteller für den Dauerbetrieb an Luft bis etwa 1.200 °C an.

Bei einem Rohrheizelement liegt die Wendel in der Mitte eines Metallrohrs, eingebettet in eine harte Masse aus Magnesiumoxidpulver. Magnesiumoxid isoliert elektrisch, leitet aber die Wärme gut, sodass die Wärme der Wendel zum Mantel fließt, während der Strom innen bleibt. Das Pulver zieht Feuchtigkeit aus der Luft, und feuchtes Pulver lässt Strom zum Mantel durch; deshalb sind die Rohrenden abgedichtet und der Mantel ist geerdet.

Geschichte und Entwicklung

Joule veröffentlichte sein Gesetz der elektrischen Erwärmung 1841 im Philosophical Magazine, in einem Aufsatz über die Wärme, die stromdurchflossene Metalldrähte und die Zellen einer Batterie abgeben.

Simpsons Heizgerät von 1859: eine Platinwendel, hin und her in die Rillen einer Specksteinplatte gelegt.

In einem am 16. Dezember 1857 eingereichten Caveat beschrieb George B. Simpson aus Washington ein elektrisches Heizgerät, auf das er am 20. September 1859 ein US-Patent erhielt. Er legte gewendelten Draht aus Platin oder einem anderen Metall in einundzwanzig parallele Rillen einer etwa acht Zoll großen quadratischen Specksteinplatte und speiste ihn aus galvanischen Batterien. Er schlug es vor, um „Räume zu heizen, Wasser zu kochen, Speisen zu garen“. Das Hagley Museum and Library nennt es den ersten patentierten Elektroherd. 1882 ließ sich Henry W. Seely ein elektrisches Bügeleisen mit einem Kohlewiderstand patentieren.

Wenige Jahre nach Marshs Patent stellten mehrere Firmen, darunter General Electric, elektrische Toaster mit Nickel-Chrom-Draht her. 1918 meldete Charles C. Abbott von General Electric in Pittsfield, Massachusetts, das Rohrheizelement zum Patent an, eine Nickel-Chrom-Wendel, die in einem Metallrohr durch pulverförmige Magnesia isoliert ist. Das Patent wurde 1921 erteilt, und General Electric verkaufte solche Elemente unter dem Namen Calrod. Rohrheizelemente heizen heute Warmwasserbereiter, Geschirrspüler, Backöfen und viele andere Geräte.