Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы

Введение

В жизни современного человека электричество играет важнейшую роль. Оно освещает улицы и дома, обогревает помещения, помогает готовить пищу и работать различным приборам. Одно из первых применений электрической энергии — получение света и тепла. Эту задачу решает лампа накаливания, изобретённая в XIX веке, и другие электрические нагревательные приборы — утюги, обогреватели, плитки, чайники.
Чтобы понять, как они работают, нужно вспомнить закон, который описывает превращение электрической энергии в тепловую — закон Джоуля–Ленца. Он объясняет, почему проводник, по которому течёт ток, нагревается, и от чего зависит количество выделяющегося тепла.

Закон Джоуля–Ленца

При прохождении электрического тока по проводнику электроны сталкиваются с атомами вещества и передают им часть своей энергии. Атомы начинают колебаться интенсивнее, и проводник нагревается. Количество выделяющегося тепла можно вычислить по формуле:

где
 — количество теплоты (в джоулях, Дж),
 — сила тока (в амперах, А),
 — сопротивление проводника (в омах, Ом),
 — время (в секундах, с).

Из формулы видно, что тепло, выделяющееся в проводнике, зависит от силы тока, сопротивления и времени. На этом явлении основана работа всех электрических нагревательных приборов.

Принцип работы лампы накаливания

Лампа накаливания — это электрический прибор, предназначенный для получения света за счёт нагрева тонкой металлической нити до высокой температуры.

Основные части лампы:

1. Стеклянная колба, из которой удалён воздух (создан вакуум) или закачен инертный газ (аргон, криптон);

2. Спираль (нить накаливания) — чаще всего из вольфрама, обладающего очень высоким температурным пределом плавления (более 3400 °C);

3. Провода и цоколь, через которые лампа подключается к электрической цепи.

Когда по нити накаливания проходит ток, она сильно нагревается. Согласно закону Джоуля–Ленца, выделяемое тепло растёт с квадратом силы тока. При температуре около 2500–3000 °C нить начинает светиться — испускать видимый свет.

Однако большая часть энергии при этом превращается не в свет, а в тепло. Поэтому лампы накаливания обладают низким коэффициентом полезного действия (КПД) — лишь около 5–10 % всей потребляемой энергии идёт на свечение, остальное теряется в виде тепла.

КПД различных ламп

Из таблицы видно, что лампа накаливания наиболее проста по устройству, но наименее эффективна. Именно поэтому в последние десятилетия её постепенно заменяют энергосберегающие и светодиодные источники света.

Другие нагревательные приборы

Помимо ламп накаливания, закон Джоуля–Ленца лежит в основе работы множества электрических нагревательных приборов.

• Электроплитка — спираль из тугоплавкого сплава (нихрома) нагревается, передавая тепло посуде.

• Утюг — имеет металлическую подошву, нагреваемую электрическим элементом, заключённым внутри корпуса.

• Электрочайник — в его дне расположен нагревательный элемент, который быстро доводит воду до кипения.

• Обогреватель — преобразует электрическую энергию в тепловую для обогрева помещения.

• Фен — сочетает электрический нагреватель и вентилятор для подачи горячего воздуха.

Постоянная температура нагревания электрических приборов

Каждый нагревательный прибор рассчитан на определённую рабочую температуру. Например, нить лампы накаливания должна иметь температуру около 2700 °C — ниже свет будет тусклым, выше нить может перегореть.

Чтобы поддерживать постоянную температуру, применяются специальные терморегуляторы и термопредохранители, автоматически отключающие питание при перегреве. Это предотвращает повреждение прибора и повышает безопасность эксплуатации.

В бытовых устройствах часто используется автоматическая стабилизация температуры: в утюгах и обогревателях встроены биметаллические пластины, которые изменяют форму при нагревании и размыкают цепь, когда температура достигает заданного значения.

Пример расчёта

Задача.
Определите количество теплоты, выделяемое в нити лампы сопротивлением 240 Ом, если через неё проходит ток 0,5 А в течение 10 секунд.

Решение:

Ответ: .

Это количество теплоты за короткое время способно нагреть тонкую вольфрамовую нить до нескольких тысяч градусов!

Значение лампы накаливания и нагревательных приборов

Лампа накаливания стала символом начала «века электричества». Её появление позволило человечеству освещать города ночью, продлило рабочий день и стало основой для развития современной электроосветительной техники. Несмотря на низкий КПД, лампы накаливания до сих пор применяются там, где требуется простота, надёжность и естественный спектр света.

Нагревательные приборы, работающие по закону Джоуля–Ленца, стали неотъемлемой частью жизни человека. Они показывают, как универсальна электрическая энергия: из неё можно получать как свет, так и тепло, управляя процессом с высокой точностью.

Вопросы для самопроверки

1. Почему при прохождении тока по проводнику он нагревается?

2. Сформулируйте закон Джоуля–Ленца и запишите его математическое выражение.

3. Какие основные части входят в состав лампы накаливания?

4. Почему вольфрам используют для изготовления нити накаливания?

5. Почему КПД лампы накаливания невысок?

6. Какие типы ламп применяются в современной технике и как они отличаются по КПД?

7. На каком физическом явлении основана работа утюга и электрочайника?

8. Зачем нагревательным приборам необходимы терморегуляторы?

9. Какой закон описывает количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику?

10. Приведите примеры использования теплового действия тока в быту и на производстве.