Фізика. 8 клас. Максимович

§ 33. Електронагрівальні прилади. Коефіцієнт корисної дії електронагрівального приладу. Коротке замикання. Запобіжники

Уявіть собі таку ситуацію. Ви після уроків приходите додому, вмикаєте світло в коридорі, переодягаєтеся і прямуєте у ванну кімнату, щоб помити руки. Там згадуєте, що треба випрати спортивну форму і запускаєте пральну машину — хай працює, поки ви розігріваєте їжу на електроплиті. Після обіду завантажуєте брудний посуд у посудомийну машину. Одночасно вмикаєте чайник, адже хочеться гарячого чаю. І раптом у квартирі пропадає світло. Траплялося таке? Чому так сталося? Що робити? Як цього уникнути?

Дізнайтеся про...

електронагрівальні прилади;
коротке замикання, запобіжники та їх види;
коефіцієнт корисної дії (ККД) електронагрівального приладу.

1. Електронагрівальні прилади

У цьому параграфі йтиметься про одну з дій електричного струму — теплову. Її покладено в основу роботи багатьох електроприладів, які мають різну будову, форму та призначення, проте об’єднує їх одна деталь — нагрівальний елемент. Його виготовляють з тугоплавких металів, сплавів з великим питомим опором. Перший електричний пристрій, у якому використали теплову дію струму, — лампа розжарювання. І хоча декілька вчених одночасно займалися її розробкою, все ж таки автором вважають Томаса Едісона, бо він у 1879 році запатентував свою лампу розжарювання. Нагрівним елементом цієї лампи був вольфрамовий дріт (температура плавлення понад 3000 °С), який так нагрівався під час проходження струму, що починав світитися.

В електричних нагрівальних елементах широко використовують ніхром. Температура такого нагрівного елемента може досягати 1200 °С.

Провідники, які використовують для електропроводки, з’єднувальні шнури не повинні нагріватися, тому їх виготовляють з металів, що мають малий питомий опір, наприклад міді.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Назвіть нагрівальні електроприлади, крім згаданих вище, які використовують у побуті, промисловості та сільському господарстві.

Упродовж багатьох років людство винаходило щораз більше електронагрівальних приладів, які стали незамінними помічниками в нашому побуті. Це електродуховки, електрокаміни, мультиварки, хлібопечі, сушарки для овочів та фруктів, тостери, фени, сушки та випрямлячі для волосся, бойлери, індукційні печі для випічки і навіть для плавлення сталі.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Щоб приготувати чай, ви кип’ятите воду в електрочайнику. Чи вся теплота нагрівного елемента чайника йде тільки на нагрівання та кип’ятіння води?

2. Коефіцієнт корисної дії (ККД) електронагрівального приладу

Кількість теплоти, що виділяється в нагрівнику внаслідок проходження по ньому електричного струму, — повна кількість теплоти Q_пов. Вона частково витрачається на нагрівання води — це корисна кількість теплоти Q_к_op, і частково на нагрівання чайника та навколишнього середовища — це втрачена енергія.

Коефіцієнт корисної дії нагрівника (ККД) — фізична величина, що характеризує ефективність нагрівника і показує, яку частину від повної кількості теплоти становить корисна кількість теплоти:

ККД нагрівника завжди значно менший за 100%.

3. Коротке замикання, запобіжники та їх види

Повернемося до ситуації, описаної на початку параграфа. Якщо ввімкнути одночасно велику кількість потужних електроприладів (паралельне з’єднання), то загальний опір кола зменшиться, а згідно із законом Ома, сила струму збільшиться. Відбудеться суттєве нагрівання проводів, що може призвести не тільки до поломки приладу, а й до місцевого загоряння. Щоб такого не трапилося, в оселі має бути захист — запобіжник.

Запобіжник — пристрій, призначений для розмикання електричного кола в разі перевищення допустимого значення сили струму в ньому.

Розглянемо будову і принцип дії плавкого запобіжника (мал. 33.1). Він складається з невеличкого скляного циліндра, усередині якого вмонтовано дротину з легкоплавкого металу (наприклад, свинцю). Ця дротина — складова частина електричного кола квартири, будинку, автомобіля тощо. Коли струм у колі відповідає допустимому значенню, то вона слабо нагрівається. Якщо ж струм перевершить допустиму норму, то вона так сильно нагріється, що розплавиться. Унаслідок цього електричне коло розімкнеться і прилади та електропроводка не вийдуть з ладу. Такий запобіжник повторно не використовують. Його потрібно замінити новим.

Мал. 33.1. Плавкий запобіжник

Плавкі запобіжники належать до перших серійних пристроїв захисту, а одними з найсучасніших є автоматичні вимикачі (мал. 33.2), які мають істотно інші властивості. Головною перевагою виробів нового покоління є можливість багаторазового використання. В основі такого вимикача — біметалева пластина. Вона в разі збільшення сили струму понад норму вигинається, унаслідок чого коло розмикається. Після охолодження такий пристрій знову можна повернути в робочий стан.

Мал. 33.2. Автоматичний вимикач

Запобіжники відіграють важливу роль під час короткого замикання.

Коротке замикання — різке збільшення сили струму в колі в разі з’єднання кінців ділянки кола провідником, опір якого майже нульовий порівняно з опором усієї ділянки кола.

Воно відбувається під час ремонту електроприладів під напругою, торкання між собою неізольованих провідників. Якби не спрацював запобіжник, то можливі загоряння провідників, а відтак — великі пожежі.

4. Приклад розв’язування задачі

Задача. На електроплиті, ККД якої 55 %, за 12 хвилин закипає в каструлі 0,8 л води. Початкова температура води становить 20 °С. Визначте, під якою напругою працює електроплита, якщо струм у ній 3,1 А. Втратами енергії на нагрівання каструлі знехтуйте.

Запам'ятайте

Перевірте себе

1. Розгляньте малюнок 33.3 та назвіть електроприлади, робота яких ґрунтується на тепловій дії електричного струму.

Мал. 33.3. Електроприлади

2. Чому порожній електричний чайник не можна вмикати в електромережу?

3. Найбільша потужність, яку можуть споживати електроприлади у квартирі, становить 1,32 кВт. Чи не вийдуть з ладу плавкі запобіжники, розраховані на силу струму 6 А і напругу 220 В?

4. Скільки літрів води, узятої за температури 10 °С, можна нагріти до кипіння кип’ятильником, який споживає струм 3 А за напруги 127 В? Коефіцієнт його корисної дії становить 30 %. Час роботи — 10 хвилин.

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)