"Физика", Перышкин А.В.
Лампа накаливания даёт свет благодаря тонкой металлической нити, которую электрический ток раскаляет до высокой температуры. При этом лампа выделяет и тепло. В плитке, утюге и других нагревательных приборах тепло становится главным полезным результатом действия тока. Разберём, из чего состоят эти устройства, как электрическая энергия превращается в тепловую и как вычислить мощность и количество энергии, потреблённой прибором.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Лампа накаливания — электрическая лампа, в которой свет возникает при нагревании током металлической нити. Проще говоря, электрический ток заставляет её светиться, поэтому такая лампа подходит для освещения. Вместе со светом она даёт и тепло.
Нить накала — тонкая проволока, обычно из вольфрама, которая нагревается при прохождении электрического тока. Именно она становится источником света внутри лампы. Её материал и форма помогают получить высокую температуру, не разрушая нить сразу.
Электрический нагревательный прибор — устройство, в котором действие электрического тока используют для получения тепла. Ток проходит по проводнику, и тот нагревается. Такой принцип нужен, например, чтобы нагреть утюг или вскипятить воду.
Нагревательный элемент — часть прибора, которая превращает электрическую энергию в тепловую. Это рабочая часть, отдающая тепло окружающим предметам или веществам. Она может быть устроена по-разному в зависимости от назначения прибора.
Когда лампу включают в электрическую цепь, через её нить начинает идти ток. Нить обладает электрическим сопротивлением, поэтому при прохождении тока нагревается. При достаточно высокой температуре металл начинает светиться; так электрическая энергия даёт одновременно свет и тепло. Если бы нить оставалась холодной, она не излучала бы яркий видимый свет.
Для нити выбирают вольфрам, потому что он выдерживает температуру, при которой металл светится, и не плавится сразу. Нить делают тонкой и длинной: так её сопротивление оказывается достаточным, чтобы при прохождении тока она сильно нагрелась. Форма проволоки позволяет разместить её внутри небольшой колбы. Материал и размеры нити должны подходить к напряжению, на которое рассчитана лампа.
Раскалённый металл при контакте с кислородом воздуха окислялся бы, а нить быстро разрушалась. Поэтому колбу заполняют инертным газом, который не поддерживает такое окисление, или откачивают из неё воздух. Стекло отделяет нить от окружающей среды и сохраняет условия внутри лампы. Благодаря этому нить может работать дольше, чем в открытом воздухе.
В нагревательном приборе электрический ток проходит через элемент, который имеет сопротивление. При этом энергия электрического тока переходит в тепловую, и элемент нагревается. В плитке тепло передаётся посуде, в утюге — ткани, а в кипятильнике — воде. Эти устройства различаются назначением, но используют один и тот же способ получения тепла.
Нагревательный элемент подбирают под задачу прибора: нужно учитывать требуемую температуру и мощность, то есть скорость передачи энергии. Важны также форма элемента и то, как он отдаёт тепло окружающим предметам. Конструкция должна подходить для условий работы прибора, чтобы нагрев был эффективным и безопасным. Поэтому элементы разных приборов могут заметно отличаться друг от друга.
| Прибор | Назначение | Основная часть, по которой идёт ток | Полезное действие тока | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| Лампа накаливания | Освещение | Нить накала | Получение света | Лампа для светильника |
| Электрический нагревательный прибор | Получение тепла | Нагревательный элемент | Нагрев предметов или веществ | Плитка, утюг, кипятильник |
Сравнивай приборы по назначению и по тому, какая часть нагревается током. В обоих случаях электрическая энергия связана с нагреванием, но полезный результат различается: для лампы это свет, для нагревателя — тепло.
Условие: лампу включили в электрическую цепь; нужно описать изменения нити. Ход рассуждения: сначала ток проходит по металлической нити, затем её температура повышается. При сильном нагревании нить начинает светиться, поэтому лампа испускает свет; одновременно выделяется тепло.
Ответ: после включения нить нагревается током до высокой температуры и начинает светиться.
Условие: сила тока I = 2 А, сопротивление элемента R = 20 Ом. Нужно найти мощность P. Здесь известны ток и сопротивление, поэтому подходит формула мощности тока на сопротивлении P = I²R. Подставляем значения в единицах СИ.
Ответ: мощность прибора равна 80 Вт.
Условие: мощность чайника P = 1,5 кВт, время работы t = 4 минуты. Искомую энергию находим по формуле A = Pt. Перед вычислением переведём величины в единицы СИ: иначе произведение мощности и времени не даст ответ в джоулях.
Ответ: чайник потребляет 360 000 Дж, или 360 кДж электрической энергии.
Ошибка — считать, что лампа накаливания нужна только для получения света. Её выбирают для освещения, поэтому выделение тепла часто не замечают, хотя оно сопровождает работу нити. Проверка: спроси себя, что происходит с нитью перед тем, как она засветится. Её нагрев показывает, что энергия уходит не только на свет.
Ошибка — называть нитью накала нагревательную часть любого прибора. Это название относится к конкретной проволоке в лампе, а нагревательные элементы других устройств могут иметь иную форму и устройство. Путаница возникает из-за общего нагревания током. Проверка: уточни, о каком приборе идёт речь и как называется его рабочая часть.
Ошибка — думать, что для нагрева нужен особый вид электрического тока. Нагрев связан с прохождением тока через сопротивление проводника, а не с отдельным «нагревательным» видом тока. Такую мысль можно проверить, вспомнив, почему нагревается нить лампы. Сопоставь это с принципом работы нагревательного элемента.
Ошибка — подставлять в формулу энергии мощность и время в несогласованных единицах. Например, если мощность дана в киловаттах, а время — в секундах, прямое умножение не даёт ответ в джоулях. Перед вычислением проверь единицы и переведи мощность в ватты либо время в часы. Для энергии в джоулях используй ватты и секунды.
Чтобы разобраться в работе этих приборов, нужно знать, что такое электрический ток, сопротивление проводника и действие тока. Связь между током, напряжением и сопротивлением описывает закон Ома для участка цепи, а мощность рассчитывают по формуле P = UI или P = I²R. Формула A = Pt связывает потреблённую энергию с мощностью и временем работы. Эти знания пригодятся при расчётах расхода электроэнергии и изучении правил электробезопасности.
Почему нить лампы накаливания светится?
При прохождении тока нить нагревается из-за своего электрического сопротивления. Когда температура становится достаточно высокой, раскалённая нить начинает излучать видимый свет.
Почему для изготовления нити накала используют вольфрам?
Вольфрам выдерживает очень сильный нагрев, необходимый для свечения нити. Из него можно сделать тонкую проволоку, которая имеет достаточное электрическое сопротивление.
Зачем в лампе нужна стеклянная колба?
Колба защищает нить от быстрого окисления и разрушения. Внутри неё находится инертный газ или создано разрежение, поэтому раскалённая нить служит дольше.
Почему нагревательные приборы потребляют электрическую энергию?
Ток проходит через нагревательный элемент, обладающий сопротивлением. Электрическая энергия при этом преобразуется в тепловую, которая и нужна для работы прибора.
Какие величины нужны, чтобы рассчитать количество энергии, потреблённой прибором?
Нужны мощность прибора и время его работы: энергия определяется формулой A = Pt. Мощность и время следует выразить в согласованных единицах, например в ваттах и секундах.
§ 55 Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы
