Фізика. Повторне видання. 8 клас. Сиротюк

§ 36. Споживачі електричного струму. Електронагрівальні прилади

З доісторичних часів і до середини XIX ст. людина використовувала для освітлення смолоскипи (факели), свічки, гасові лампи й газові пальники. Лише в 1878 р. деякі вулиці й площі Парижа було освітлено електричними свічками - лампами з електричною дугою (мал. 192, а). Електричну свічку створив винахідник Павло Яблочков, тому її ще називають «свічкою Яблочкова».

Мал. 192

У 1870 р. інший електротехнік Олександр Лодигін сконструював електричну лампу розжарювання. Вона складалася зі скляного балона, у якому розміщувався тонкий вугільний стержень, закріплений між двома мідними провідниками (мал. 192, б). Вугільний стержень під час роботи лампи розжарювався й ставав джерелом світла, але швидко перегоряв (за 30-40 хв). Коли Лодигін відкачав з балона повітря, то час роботи лампи збільшився.

У 1879 р. американський винахідник Томас Едісон винайшов спосіб одержання тонких вугільних ниток, які використовував у конструкції електричної лампи (мал. 193). Він також запропонував зручний спосіб вмикання лампи в електромережу за допомогою гвинтового цоколя та патрона. Тим самим Едісон сприяв швидкому поширенню електричного освітлення.

На початку XX ст. створюють більш економні лампи з металевою зигзагоподібною ниткою (мал. 194). Великим недоліком таких електроламп було випаровування матеріалу нитки під час її розжарювання, тому час роботи ламп скорочувався. Крім того, матеріал, що випаровувався, осідав на стінках скляного балона і затемнював його.

Мал. 193

Мал. 194

У 1906 р. Лодигін сконструював лампу з ниткою з вольфраму. Вольфрам - тугоплавкий метал, що плавиться за температури 3380 °С. Щоб зменшити швидке випаровування вольфраму, балон лампи почали наповнювати інертними газами - аргоном (з домішками азоту), криптоном. Згодом для зменшення теплових втрат вольфрамову нитку в лампі почали виготовляти у вигляді спіралі (мал. 195).

Для освітлення в побуті та більшості випадків на виробництві застосовують електричні лампи розжарювання, розраховані на напругу 220 В, потужністю від 15 до 150-200 Вт; для освітлення залізничних вагонів використовують лампи, які розраховані на напругу 50 В, автомобілів - 12 і 6 В, у кишенькових ліхтариках - 6,3; 3,5; 2,5 і 1 В. Для спеціальних потреб виготовляють лампи розжарювання великої потужності. На малюнку 196 ви бачите лампу, потужність якої 500 Вт. Лампи такої потужності потрібно охолоджувати спеціальними вентиляторами.

Мал. 195

Мал. 196

Мал. 197

Час роботи електричної лампи розжарювання становить 1000 год і залежить від напруги, що подається на лампу. Наприклад, якщо на лампу, розраховану на 220 В, подавати напругу 222 В, то час її роботи зменшиться на 130 год.

Крім ламп розжарювання, людина для власних потреб використовує газорозрядні лампи денного світла (їх ще називають люмінесцентними лампами). Це довгі (від 10 до 120 см) скляні запаяні трубки (мал. 197, а). Повітря із трубки викачують і вводять краплину ртуті та трохи газу - аргону, криптону, неону тощо. Усередині поверхню прозорого скла покривають речовиною, що світиться під дією ультрафіолетового випромінювання, яке супроводжує електричний розряд у газовій суміші. Підбираючи дослідним шляхом склад цієї речовини, можна отримати світло будь-якого кольору. Під час світіння ламп денного світла температура в них не перевищує 50 °С.

Люмінесцентні лампи за своєю економічністю перевищують в 5-7 разів лампи розжарювання, до того ж час їх роботи у 2-3 рази довший. Нині використовують енергоощадні лампи (мал. 197, б), потужність яких - 4-250 Вт, середній термін використання сягає 12 000-25 000 годин. Крім цього, альтернативними джерелами світла є світлодіодні лампи, які набагато ефективніші за будь-які освітлювальні прилади (мал. 197, в).

Теплову дію струму використовують у різних електронагрівальних приладах і установках. У побуті широко застосовують електричні плитки, праски, чайники, кип’ятильники, водонагрівачі та електрорадіатори (мал. 198), у промисловості виплавляють спеціальні сорти сталі та багато інших металів, зварюють метали (мал. 199), у сільському господарстві - обігрівають теплиці, інкубатори, висушують зерно тощо.

Мал. 198

Мал. 199

Мал. 200

Основною частиною нагрівального електричного приладу є нагрівальний елемент. Нагрівальний елемент - це провідник з великим опором, який здатний витримувати, не руйнуючись, нагрівання до високої температури (1000-1200 °С).

Найчастіше для виготовлення нагрівальних елементів застосовують сплав нікелю, заліза, хрому й марганцю, відомий під назвою «ніхром». Великий опір ніхрому дає змогу виготовляти з нього дуже зручні, малі за розмірами, нагрівальні елементи. У нагрівальному елементі провідник у вигляді дроту, стрічки або спіралі намотують на каркас чи прикріплюють до арматури з жаростійкого матеріалу - слюди, кераміки. Наприклад, нагрівальним елементом в електричній прасці (мал. 200) є ніхромова стрічка або спіраль, від якої нагрівається нижня частина (підошва) праски.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Назвіть винахідників ламп розжарювання.
  • 2. Які електричні лампи використовують для практичних потреб людини?
  • 3. Оцініть (приблизно) ККД електричної лампи розжарювання.
  • 4. Назвіть електронагрівальні прилади, які ви знаєте.
  • 5. Що таке нагрівальний елемент?

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Амперметр показує силу струму в колі 15 А, вольтметр - напругу на ділянці 24 В. Яку роботу виконає електричний струм за 20 хв?

Підставивши значення величин, отримаємо:

А = 24 В • 15 А • 1200 с = 432 000 Дж = 432 кДж.

Відповідь: електричний струм виконав роботу 432 кДж.

2. Яку потужність повинен мати електричний двигун, щоб він за 20 хв виконав роботу 100 кДж?

Підставивши значення величин, отримаємо:

Р = 120 000 Дж : 1200 с = 100 Вт.

Відповідь: потужність електричного двигуна 100 Вт.

3. Дві електричні лампи потужністю 60 Вт і 100 Вт увімкнуто в мережу 220 В паралельно. Яка з них світитиметься яскравіше?

Відповідь: лампа потужністю 100 Вт світитиметься яскравіше.