Нагревательные приборы и лампа накаливания
⚡ Физика · 8 класс
Почему спираль электроплитки и нить лампы раскаляются и как выбирают для них материал.
Почему проводник нагревается током
При прохождении электрического тока проводник нагревается. Свободные электроны, двигаясь сквозь вещество, сталкиваются с его частицами и передают им часть энергии — частицы начинают колебаться сильнее, и проводник разогревается. Количество выделившегося тепла описывает закон Джоуля—Ленца: оно тем больше, чем больше сопротивление участка, квадрат силы тока и время прохождения тока. На этом тепловом действии тока основана работа всех электронагревательных приборов.
Материал для спирали
В электроплитке, утюге, обогревателе и фене главная рабочая часть — нагревательная спираль. Её делают не из меди, а из специальных сплавов с большим удельным сопротивлением: нихрома или фехраля. Такие сплавы сильно нагреваются при прохождении тока и при этом выдерживают высокую температуру, не плавясь и почти не окисляясь на воздухе. Медные подводящие провода имеют малое сопротивление и почти не греются — поэтому горячей становится именно спираль, а не провода.
| Часть прибора | Сопротивление | Нагрев |
|---|---|---|
| Подводящие медные провода | малое | почти нет |
| Нихромовая спираль | большое | сильный, докрасна |
Лампа накаливания
В лампе накаливания ток проходит через очень тонкую вольфрамовую нить. Вольфрам выбран потому, что он плавится при очень высокой температуре — около 3400 °C. Тонкая нить имеет большое сопротивление, поэтому сильно греется и раскаляется примерно до 2500 °C, начиная ярко светиться. Чтобы раскалённая нить не сгорела от соединения с кислородом воздуха, из стеклянной колбы либо откачивают воздух, либо наполняют её инертным газом, например аргоном.
Ток -> тонкая нить с большим сопротивлением -> сильный нагрев -> свечение. Толстые медные провода почти не греются.КПД и современные лампы
Лампа накаливания превращает в видимый свет лишь малую часть подведённой энергии — около пяти процентов. Почти вся остальная энергия уходит в тепло, поэтому такая лампа сильно греется, а её коэффициент полезного действия невелик. Из-за этого сегодня их вытесняют энергосберегающие и светодиодные лампы, которые при той же яркости потребляют гораздо меньше энергии и почти не греются.
Частая ошибка: думать, что вся цепь греется одинаково. Сильнее всего нагревается участок с наибольшим сопротивлением — спираль или нить лампы, а не подводящие провода с малым сопротивлением.
Кратко о главном
- Нагрев тока описывает закон Джоуля—Ленца.
- Спирали делают из нихрома: большое сопротивление и стойкость к жару.
- Нить лампы — из тугоплавкого вольфрама, колбу заполняют инертным газом.
- Сильнее греется участок с наибольшим сопротивлением.
- КПД лампы накаливания мал, её заменяют светодиодными лампами.