Номер 57.9, страница 204 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

Глава 7. Электрические явления. Параграф 57. Тепловое действие тока - номер 57.9, страница 204.

Условие.

57.9 [н] Почему российский изобретатель лампы накаливания А. Н. Лодыгин для спирали своей лампы выбрал вольфрам, а не железо или медь?

Решение.

Решение 4.

Решение 7.

57.9 [H]

Выбор российского изобретателя А. Н. Лодыгина в пользу вольфрама для спирали лампы накаливания объясняется его уникальными физическими свойствами, которые делают его наиболее подходящим материалом для этой задачи по сравнению с железом и медью.

Принцип работы лампы накаливания заключается в нагреве тонкой проволоки (спирали) электрическим током до такой высокой температуры, чтобы она начала ярко светиться. Для эффективной и долговечной работы лампы материал спирали должен отвечать нескольким ключевым требованиям:

1. Очень высокая температура плавления. Яркость и цвет свечения напрямую зависят от температуры спирали. Чем выше температура, тем ярче свет и тем больше он смещен в белую часть спектра (выше светоотдача). Материал должен выдерживать экстремальный нагрев, не плавясь.
2. Высокое удельное электрическое сопротивление. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество выделяемой теплоты $Q$ прямо пропорционально сопротивлению проводника $R$: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$. Чтобы нить эффективно разогревалась до нужной температуры, она должна обладать значительным сопротивлением.
3. Пластичность и прочность. Материал должен позволять изготавливать из него тонкие и длинные нити, которые при этом остаются прочными даже при сильном нагреве.
4. Низкая скорость испарения. При высоких температурах металл испаряется (сублимирует). Этот процесс истончает нить, что приводит к ее перегоранию, а также затемняет колбу лампы изнутри. Поэтому материал должен иметь низкую скорость испарения при рабочих температурах.

Сравним вольфрам, железо и медь по этим параметрам:

• Вольфрам (W) является идеальным кандидатом. У него самая высокая температура плавления среди всех металлов — около $3422 \text{ °C}$. Это позволяет раскалять вольфрамовую нить до температур $2200-2700 \text{ °C}$, получая яркий и эффективный источник света. Вольфрам также обладает достаточно высоким удельным сопротивлением и очень медленно испаряется, что обеспечивает длительный срок службы лампы (сотни и тысячи часов).
• Железо (Fe) имеет температуру плавления около $1538 \text{ °C}$. Этой температуры недостаточно для получения яркого света; свечение будет тусклым, оранжево-красным, с очень низкой светоотдачей. Любая попытка нагреть его сильнее для увеличения яркости приведет к его быстрому плавлению.
• Медь (Cu) плавится при еще более низкой температуре — около $1084 \text{ °C}$. Кроме того, медь обладает очень низким удельным сопротивлением, что делает ее прекрасным проводником для проводов, но совершенно неподходящим материалом для нагревательного элемента. Чтобы заставить медную проволоку светиться, пришлось бы пропустить через нее огромный ток, который расплавил бы ее практически мгновенно.

Таким образом, ни железо, ни медь не могут конкурировать с вольфрамом в качестве материала для нити накаливания из-за своих низких температур плавления и, в случае меди, слишком низкого сопротивления.

Ответ: А. Н. Лодыгин выбрал вольфрам для спирали своей лампы, потому что вольфрам обладает самой высокой температурой плавления среди всех металлов ($T_{\text{пл}} \approx 3422 \text{ °C}$). Это фундаментальное свойство позволяет нагревать вольфрамовую нить до очень высоких температур, при которых она излучает яркий и экономичный свет. Железо ($T_{\text{пл}} \approx 1538 \text{ °C}$) и медь ($T_{\text{пл}} \approx 1084 \text{ °C}$) расплавились бы задолго до достижения температуры, необходимой для эффективного освещения.