Темы докладов, страница 182 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Электрические явления. Параграф 44. Тепловое действие тока. Вопросы - страница 182.

Условие.

Нагревательные элементы.

Решение.

Нагревательный элемент — это основной компонент любого электрического нагревательного прибора, предназначенный для преобразования электрической энергии в тепловую.

Принцип действия

В основе работы нагревательного элемента лежит физическое явление, описываемое законом Джоуля — Ленца. Согласно этому закону, при прохождении электрического тока через проводник, обладающий сопротивлением, в проводнике выделяется тепло. Количество выделенной теплоты $\text{Q}$ определяется по формуле:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

где $\text{I}$ — сила тока, $\text{R}$ — сопротивление проводника, а $\text{t}$ — время прохождения тока. Таким образом, изменяя сопротивление материала, его длину и сечение, можно создавать нагреватели с заданной тепловой мощностью $P = \frac{U^2}{R}$.

Требования к материалам для нагревательных элементов

Для эффективной и долговечной работы материалы, из которых изготавливают нагреватели, должны соответствовать ряду требований:
1. Высокое удельное электрическое сопротивление, чтобы обеспечить значительный нагрев при компактных размерах элемента.
2. Высокая температура плавления, позволяющая работать при сильном нагреве без разрушения.
3. Жаростойкость (окалиностойкость) — способность противостоять окислению кислородом воздуха при высоких температурах, что обеспечивает длительный срок службы.
4. Механическая прочность при высоких температурах и пластичность при комнатной температуре для удобства изготовления.
5. Малый температурный коэффициент сопротивления для стабильной работы прибора при изменении температуры.

Классификация и виды нагревательных элементов

Нагревательные элементы классифицируют по материалу изготовления и по конструктивному исполнению.

По материалу изготовления:

Металлические:
• Нихром (сплавы никеля и хрома, например, Х20Н80). Самый распространенный материал благодаря удачному сочетанию высокого сопротивления, жаростойкости (до 1200 °C) и пластичности.
• Фехраль (сплавы железа, хрома и алюминия, известный также как Канталь). Обладает более высокой рабочей температурой (до 1400 °C), чем нихром, но является более хрупким.
• Тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден). Применяются для сверхвысоких температур (свыше 2000 °C), но требуют для работы вакуумной или инертной среды для защиты от окисления.

Неметаллические:
• Карбид кремния (SiC). Карборундовые или силитовые нагреватели для промышленных печей с рабочей температурой до 1500 °C.
• Дисилицид молибдена (MoSi₂). Используются в высокотемпературных печах, работающих при температурах до 1800 °C.
• Углеродные материалы (графит). Позволяют достигать температур свыше 3000 °C, но только в бескислородной среде.
• Позисторная керамика (PTC-нагреватели). Обладают эффектом саморегуляции: их сопротивление резко увеличивается при достижении определенной температуры, что предотвращает перегрев.

По конструктивному исполнению:

• Открытые нагреватели. Нагревательная спираль или лента расположена открыто и контактирует с нагреваемой средой (воздухом). Примеры: фены, тостеры, тепловентиляторы.
• Трубчатые электронагреватели (ТЭН). Самый распространенный тип. Нагревательная спираль изолирована от внешней металлической трубки слоем спрессованного диэлектрика (оксида магния). Такая конструкция безопасна и долговечна. Применяются в бойлерах, электроплитах, стиральных машинах.
• Керамические нагреватели. Нагревательный проводник интегрирован в керамическую основу, что обеспечивает равномерный нагрев и хороший теплообмен. Часто используются в бытовых обогревателях.
• Патронные нагреватели. Разновидность ТЭНа высокой мощности, предназначенная для нагрева металлических деталей путем установки в отверстия (например, в пресс-формах).
• Инфракрасные излучатели. Конструкция оптимизирована для передачи тепла путем излучения в инфракрасном спектре. Используются в грилях, сушильных установках и для обогрева помещений.

Области применения

Нагревательные элементы используются повсеместно: от бытовых приборов (чайники, утюги, плиты, водонагреватели) до сложного промышленного оборудования (плавильные и муфельные печи, экструдеры, термопластавтоматы, сушильные камеры) и лабораторной техники.

Ответ: Нагревательный элемент — это устройство, преобразующее электрическую энергию в тепловую на основе закона Джоуля-Ленца ($Q=I^2 \cdot R \cdot t$). Ключевыми характеристиками материалов для них являются высокое удельное сопротивление и жаростойкость. Основные материалы — нихром и фехраль. По конструкции наиболее распространены трубчатые электронагреватели (ТЭН), где спираль изолирована от корпуса диэлектриком. Нагревательные элементы применяются в широком спектре бытовых и промышленных устройств для нагрева различных сред.