Номер 21.46, страница 111 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 21. Электромагнитная индукция. Производство и передача электроэнергии - номер 21.46, страница 111.

Условие.

21.46. Почему не применяют для освещения переменный ток частотой 10 Гц?

Решение.

Переменный ток характеризуется периодическим изменением своей величины и направления. Осветительные приборы, такие как лампы накаливания, излучают свет за счёт нагрева нити до высокой температуры. Яркость свечения лампы зависит от мощности, которая выделяется на её нити. Мгновенная мощность $\text{P}$ связана с мгновенным значением силы тока $\text{I}$ и сопротивлением $\text{R}$ по закону Джоуля — Ленца: $P(t) = I(t)^2 R$.

При использовании переменного тока его значение изменяется по синусоидальному закону. Так как мощность пропорциональна квадрату силы тока, она также изменяется периодически. За один период колебаний переменного тока, ток дважды достигает своего максимального значения (в положительном и отрицательном направлениях) и дважды проходит через ноль. Соответственно, мощность и яркость лампы также дважды достигают максимума и дважды падают до нуля. Это означает, что частота колебаний яркости света (мерцания) в два раза больше частоты переменного тока.

Если для освещения использовать переменный ток с частотой $f = 10$ Гц, то частота мерцания света составит:

$f_{мерцания} = 2 \cdot f = 2 \cdot 10 \text{ Гц} = 20 \text{ Гц}$

Человеческий глаз и мозг обладают инерционностью зрительного восприятия, известной как персистенция зрения. Благодаря этому свойству, мы воспринимаем быстро сменяющиеся изображения как непрерывное движение (что используется в кино и на телевидении). Однако, если частота смены изображений (или мерцания света) слишком низкая, глаз начинает различать отдельные вспышки. Пороговая частота, выше которой мерцание перестает быть заметным, называется критической частотой слияния мельканий и для большинства людей составляет примерно 50–60 Гц.

Частота мерцания 20 Гц находится значительно ниже этого порога. Такое низкочастотное мерцание было бы очень хорошо заметно, вызывая стробоскопический эффект, сильный дискомфорт, быстрое утомление глаз и головные боли. Длительное пребывание в таком освещении может негативно сказаться на здоровье. Именно поэтому в стандартных электрических сетях используется переменный ток с частотой 50 Гц (в России, Европе и др.) или 60 Гц (в Северной Америке), что обеспечивает частоту мерцания света 100 Гц или 120 Гц соответственно. Эти частоты значительно превышают порог восприятия человеческого глаза, поэтому свет кажется нам ровным и постоянным.

Ответ: Переменный ток частотой 10 Гц не применяют для освещения, потому что он вызывает видимое и неприятное для человеческого глаза мерцание света с частотой 20 Гц. Эта частота значительно ниже порога зрительного восприятия, что приводит к зрительному дискомфорту, быстрой утомляемости, головным болям и делает такое освещение непригодным для использования.