Номер 4, страница 98, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 6. Характеристики электрических цепей. Параграф 69. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 4, страница 98.

Условие.

• Нагревательные элементы.

Решение.

Определение и принцип действия

Нагревательный элемент — это компонент электротехнического устройства, предназначенный для преобразования электрической энергии в тепловую. В основе работы подавляющего большинства нагревательных элементов лежит явление резистивного нагрева, описываемое законом Джоуля-Ленца. Согласно этому закону, количество теплоты $\text{Q}$, выделяемое в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально произведению квадрата силы тока $\text{I}$, сопротивления проводника $\text{R}$ и времени $\text{t}$ прохождения тока.

Математически это выражается формулой: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$.

Таким образом, основной принцип заключается в том, что электрический ток, протекая через материал с высоким электрическим сопротивлением, вызывает его нагрев за счет столкновения электронов с атомами кристаллической решетки. Ответ: Нагревательный элемент преобразует электрическую энергию в тепловую за счет омического сопротивления материала, по которому протекает ток, в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Материалы для нагревательных элементов

Ключевым фактором эффективности и долговечности нагревательного элемента является материал, из которого он изготовлен. Основные требования к таким материалам:
- Высокое удельное электрическое сопротивление: позволяет изготавливать компактные нагреватели, выделяющие значительное количество тепла при умеренных значениях тока.
- Высокая температура плавления: обеспечивает надежную работу элемента при высоких рабочих температурах.
- Жаростойкость: способность материала сопротивляться окислению (коррозии) в газовой среде (чаще всего в воздухе) при высоких температурах.
- Минимальный температурный коэффициент сопротивления: обеспечивает стабильную мощность нагревателя при изменении его температуры.
- Хорошая механическая прочность и пластичность: позволяет придавать нагревателю необходимую форму (спираль, лента).
Наиболее распространенные материалы:
- Нихром (NiCr): сплав никеля и хрома. Очень популярен благодаря сочетанию высокого сопротивления, хорошей жаростойкости (до 1200 °C) и пластичности.
- Фехраль (FeCrAl, кантал): сплав железа, хрома и алюминия. Обладает более высокой рабочей температурой (до 1400 °C) и стоит дешевле нихрома, но является более хрупким.
- Вольфрам (W): применяется для сверхвысоких температур (до 3000 °C), но только в вакууме или инертной атмосфере, так как интенсивно окисляется на воздухе. Используется в лампах накаливания и галогенных лампах.
- Керамические материалы: карбид кремния (SiC) и дисилицид молибдена (MoSi₂) используются в промышленных печах для температур до 1600–1800 °C.
- Углеродные материалы (графит): применяются в высокотемпературных вакуумных печах.
Ответ: Для нагревательных элементов используются специализированные материалы и сплавы с высоким сопротивлением и жаростойкостью, такие как нихром, фехраль, вольфрам, а также карбид кремния и дисилицид молибдена для промышленных применений.

Типы и конструкции нагревательных элементов

Конструкция нагревательных элементов разнообразна и зависит от области применения:
- Открытые нагревательные элементы: Представляют собой проволочную спираль или ленту, закрепленную на диэлектрическом основании (например, из слюды или керамики). Применяются в бытовых тепловентиляторах, тостерах, фенах. Преимущества – простота и быстрый нагрев. Недостаток – незащищенность нагревателя от внешней среды и опасность поражения током.
- Трубчатые электронагреватели (ТЭНы): Самый распространенный тип. Нагревательная спираль из нихрома помещается в металлическую (стальную, медную) трубку, от которой она изолирована спрессованным порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (периклаз, оксид магния). ТЭНы герметичны, механически прочны и электробезопасны. Используются в бойлерах, электроплитах, стиральных машинах.
- Керамические нагреватели: Резистивный элемент (проводящая паста) наносится на керамическую подложку. Обеспечивают большую площадь теплоотдачи и равномерный нагрев. Особый вид — позисторные (PTC) нагреватели, которые обладают свойством саморегуляции: их сопротивление резко возрастает при достижении определенной температуры, что ограничивает дальнейший нагрев.
- Патронные (пальчиковые) нагреватели: Компактная разновидность ТЭНа с высокой удельной мощностью, предназначенная для нагрева металлических частей оборудования (например, пресс-форм) путем установки в глухие отверстия.
- Гибкие (пленочные) нагреватели: Нагревательный элемент (например, травленая фольга) размещается между слоями гибкого диэлектрика (силикон, полиимид). Позволяют обогревать криволинейные поверхности.
Ответ: Основные типы нагревательных элементов включают открытые, трубчатые (ТЭНы), керамические, патронные и гибкие. Выбор типа зависит от требований к безопасности, мощности, форме и условиям эксплуатации.

Области применения

Нагревательные элементы являются неотъемлемой частью огромного спектра оборудования:
- Бытовая техника: электрочайники, утюги, бойлеры для нагрева воды, духовки, конфорки электроплит, посудомоечные и стиральные машины (для нагрева воды), фены, масляные радиаторы, конвекторы, тостеры.
- Промышленное оборудование: промышленные печи для плавки, закалки и отжига металлов; экструдеры и термопластавтоматы для переработки пластмасс; сушильные шкафы и камеры; оборудование для химической, пищевой и нефтегазовой промышленности; системы антиобледенения.
- Транспорт: системы подогрева сидений, зеркал заднего вида и стекол в автомобилях; обогрев салонов электромобилей и общественного транспорта; предпусковые подогреватели двигателей.
- Научное и медицинское оборудование: стерилизаторы, термостаты, инкубаторы, лабораторные печи, оборудование для проведения анализов (например, хроматографы).
Ответ: Нагревательные элементы широко применяются во всех сферах: от бытовых приборов (чайники, плиты) и автомобильных систем (подогрев сидений) до сложного промышленного (металлургические печи) и научного оборудования (термостаты).