§ 29. Электронагревательные приборы, лампа накаливания, короткое замыкание, плавкие предохранители

Определения и обозначения

Электронагревательный прибор — устройство, в котором электрический ток нагревает проводник. Так работают, например, утюг, электрочайник и обогреватель. Тепло нужно, чтобы нагреть воду, пищу, предметы или воздух.

Лампа накаливания — источник света, в котором ток нагревает тонкую нить до высокой температуры. Раскалённая нить начинает светиться. Такой принцип превращает электрическую энергию не только в свет, но и в тепло.

Короткое замыкание — соединение участков цепи с очень малым сопротивлением, при котором сила тока резко возрастает. Оно может возникнуть, например, если провода соединятся напрямую в обход прибора. Понимание этого явления помогает объяснить, почему цепи нужна защита.

Плавкий предохранитель — устройство с проводником, который расплавляется и размыкает цепь при чрезмерном токе. После размыкания ток перестаёт проходить по защищаемому участку. Предохранитель нужен, чтобы уменьшить риск перегрева проводов и повреждения приборов.

Как это устроено

Когда через проводник идёт ток, заряженные частицы движутся и взаимодействуют с частицами вещества. Часть электрической энергии передаётся веществу, поэтому его внутренняя энергия увеличивается и проводник нагревается. Чем больше сила тока, сопротивление и время его прохождения, тем больше выделяется теплоты: это выражает закон Джоуля — Ленца, Q = I²Rt. Так электрическая энергия превращается во внутреннюю.

В электронагревательном приборе тепло выделяется главным образом в нагревательном элементе, сопротивление которого специально выбирают достаточно большим. Элемент делают из материала, способного выдерживать высокую температуру и не разрушаться слишком быстро. Изоляция не даёт току перейти на корпус или соседние детали, а корпус защищает человека и удерживает конструкцию. Материалы корпуса и изоляции тоже должны переносить нагрев, иначе они могут расплавиться или загореться.

Нить лампы тонкая, поэтому при прохождении тока она сильно нагревается и начинает излучать видимый свет. Для свечения нужна очень высокая температура, но на воздухе раскалённая нить быстро окислялась бы и разрушалась. Поэтому её помещают в колбу, из которой удалён воздух, или заполняют её инертным газом, который почти не вступает в химические реакции. Колба также защищает хрупкую нить от внешнего воздействия.

Короткое замыкание возникает, когда ток получает путь с сопротивлением намного меньше сопротивления работающего прибора. По закону Ома I = U/R: при том же напряжении уменьшение сопротивления приводит к резкому увеличению силы тока. Большой ток выделяет в проводах много теплоты за короткое время. Поэтому изоляция может перегреться, расплавиться и создать дополнительную опасность.

Плавкий предохранитель включают в цепь так, чтобы ток проходил через его плавкую вставку. Если ток становится больше допустимого, вставка нагревается сильнее, плавится и разрывает цепь. После этого ток прекращается, и провода защищаемого участка перестают нагреваться из-за чрезмерного тока. Перегоревшую вставку нельзя заменять проволокой: она может не расплавиться вовремя и не выполнить защитную задачу.

Электроприборы и их назначение

Сначала найдите в таблице, какой элемент действует в каждом устройстве. Затем сравните, куда направлено действие: на нагрев, получение света или защиту цепи. Так проще не путать прибор, который использует нагрев, с устройством, которое отключает ток.

Разбор задач

В первых двух задачах нужно выбрать физический закон и внимательно привести величины к нужным единицам. В третьей вычислений нет: надо проследить, как изменение тока влияет на предохранитель и безопасность цепи. Записывайте сначала известные данные, затем формулу, подстановку и ответ с единицами измерения. Такой порядок помогает проверить решение и не потерять смысл вычислений.

Задача 1. Нагреватель сопротивлением 20 Ом подключён к напряжению 220 В. Найдите силу тока в нём.

1. Известны напряжение U = 220 В и сопротивление R = 20 Ом. Ищем силу тока I.
2. По закону Ома I = U/R. Подставляем данные: I = 220 В / 20 Ом = 11 А.
3. Проверяем смысл результата: при заданном напряжении сопротивление ограничивает ток до найденного значения. Ответ: 11 А.

Задача 2. Через нагревательный элемент сопротивлением 30 Ом проходит ток 2 А в течение 5 минут. Найдите количество теплоты, выделившееся в элементе.

1. Записываем данные: R = 30 Ом, I = 2 А, t = 5 мин. В формуле Джоуля — Ленца время должно быть в секундах, поэтому t = 5 · 60 = 300 с.
2. Используем формулу Q = I²Rt. Подставляем: Q = 2² · 30 · 300 = 36 000 Дж.
3. Проверяем, что использовали сопротивление, силу тока и время, а результат выражен в джоулях. Ответ: 36 000 Дж, или 36 кДж.

Задача 3. В цепи с предохранителем произошёл короткий контакт, из-за которого ток превысил допустимое значение. Объясните, что произойдёт с предохранителем и почему нельзя заменять его проволокой.

1. Короткий контакт уменьшает сопротивление участка цепи, поэтому сила тока резко возрастает. Больший ток сильнее нагревает плавкую вставку.
2. Если ток превышает допустимое значение, вставка расплавляется и размыкает цепь. После этого прохождение тока прекращается.
3. Случайная проволока может оказаться толще или прочнее вставки и не расплавиться вовремя. Тогда провода продолжат перегреваться, поэтому ответ: предохранитель должен разорвать цепь, а заменять его проволокой нельзя.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что нагревается только спираль. Ток нагревает любые проводники, но элемент прибора специально выбирают так, чтобы он нагревался сильнее и безопасно отдавал тепло. Такое заблуждение возникает, когда заметен только результат работы спирали. Проверьте себя: вспомните, что электрическая энергия проходит по всей замкнутой цепи.

Короткое замыкание иногда принимают за обычное включение прибора. Но при нормальной работе ток проходит через прибор, а при коротком замыкании сопротивление пути резко уменьшается и ток может стать опасно большим. Путаница появляется из-за того, что в обоих случаях цепь замкнута. Проверьте, есть ли в рассматриваемом пути сопротивление работающего прибора.

Неверно думать, что предохранитель просто ограничивает ток и продолжает работать. Его плавкая вставка нагревается, плавится и разрывает цепь, поэтому после срабатывания ток прекращается. Ошибка возникает из-за смешения предохранителя с устройством, которое регулирует ток. Проверьте себя: спросите, остаётся ли цепь замкнутой после срабатывания вставки.

Перегоревший предохранитель нельзя заменять более толстой проволокой. Такая проволока может выдержать большой ток, и защита не отключит цепь вовремя. Замену иногда считают простой починкой, но она убирает важный защитный элемент. Проверьте себя: если новая вставка не расплавится при опасном токе, провода останутся под угрозой перегрева и пожара.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в нагреве и защите цепи, нужно знать электрический ток, силу тока, напряжение, сопротивление и закон Ома. Нагрев проводника связан с законом Джоуля — Ленца: Q = I²Rt; он показывает, от чего зависит количество выделившейся теплоты. Эта тема пригодится при изучении мощности электрического тока и расчётах бытовых приборов. Она также помогает применять правила безопасного обращения с электричеством.

Что запомнить

• Электрический ток может нагревать проводник.
• В электронагревательном приборе тепло выделяется в нагревательном элементе.
• В лампе накаливания светится сильно нагретая током нить.
• При коротком замыкании сопротивление участка цепи резко уменьшается, а сила тока возрастает.
• Большой ток может вызвать опасный перегрев проводов.
• Плавкий предохранитель размыкает цепь, когда ток превышает допустимое значение.