Номер 2.43, страница 43 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в газах и в вакууме - номер 2.43, страница 43.

Условие.

2.43. На рисунке 2.10 показана схема устройства «электрической свечи», изобретённой П. Н. Яблочковым в 1875 г.

а) Объясните назначение основных элементов и принцип действия.

б) Почему Яблочков для питания изобретённых им «электрических свечей» пользовался переменным током?

Рис. 2.10

Решение.

а)

Электрическая свеча Яблочкова — это дуговая лампа упрощённой конструкции. Её основные элементы: два параллельных угольных стержня, изоляция из каолина между ними и медная перемычка сверху.

Назначение элементов следующее. Угольные стержни служат электродами, между концами которых горит электрическая дуга — основной источник света. Изоляция из каолина (тугоплавкой глины) разделяет стержни, поддерживая между ними постоянное расстояние, и сгорает с той же скоростью, что и угли, автоматически сохраняя необходимый для горения дуги зазор. Это избавляло от необходимости использовать сложные механические регуляторы. Медная перемычка — это тонкий проводник для «поджига» свечи; при подаче напряжения она мгновенно сгорает, и возникшая искра инициирует дугу.

Принцип действия таков: при включении в сеть ток проходит через перемычку, которая сгорает, зажигая дугу между угольными стержнями. Высокая температура дуги раскаляет концы углей и заставляет их медленно сгорать вместе с каолиновой изоляцией, обеспечивая стабильное и яркое свечение в течение всего времени работы (около 1,5–2 часов).

Ответ: Основными элементами являются два параллельных угольных стержня (электроды), разделяющая их изоляция из каолина для поддержания зазора и медная перемычка для зажигания. Принцип действия основан на горении стабильной электрической дуги между концами угольных стержней, которые по мере сгорания укорачиваются вместе с каолиновой изоляцией.

б)

П. Н. Яблочков использовал переменный ток для питания своих «электрических свечей», чтобы обеспечить равномерное сгорание обоих угольных стержней.

При питании дуговой лампы постоянным током положительный электрод (анод) сгорает примерно в два раза быстрее, чем отрицательный (катод), так как он нагревается сильнее из-за бомбардировки электронами. В конструкции свечи Яблочкова, где стержни параллельны, это привело бы к тому, что один стержень быстро стал бы короче другого, зазор между их концами увеличился, и дуга бы погасла.

Применение переменного тока решает эту проблему. При переменном токе полярность на электродах постоянно меняется. Каждый из стержней попеременно является то анодом, то катодом. В результате этого оба стержня изнашиваются и сгорают с одинаковой скоростью, что обеспечивает долгую и стабильную работу свечи без необходимости в регулировке.

Ответ: Переменный ток обеспечивает равномерное сгорание обоих угольных стержней, так как каждый из них попеременно является анодом и катодом. При использовании постоянного тока положительный стержень сгорал бы значительно быстрее отрицательного, что привело бы к быстрому гашению дуги.