Номер 14.5, страница 93 - гдз по физике 8-11 класс учебник, задачник Гельфгат, Генденштейн

Задачи. Электричество и магнетизм. 14. Электрический ток в различных средах - номер 14.5, страница 93.

Условие.

14.5. Почему при включении в квартире мощного электронагревателя горящие лампочки сразу заметно меркнут, но затем их яркость постепенно возрастает (хотя и не достигает первоначальной)?

Решение.

Решение 2.

14.5. Это явление объясняется несколькими взаимосвязанными физическими процессами в электрической цепи квартиры.

1. Мгновенное падение яркости. Все электроприборы в квартире, включая лампочки и нагреватель, подключены параллельно. При включении мощного нагревателя, обладающего относительно низким сопротивлением, общее сопротивление нагрузки в квартире резко уменьшается. Согласно закону Ома для полной цепи, это приводит к значительному увеличению общего тока $\text{I}$, потребляемого от внешней сети. Любая реальная электрическая сеть (включая проводку от подстанции до квартиры) обладает некоторым внутренним сопротивлением $\text{r}$. Напряжение $\text{U}$ в розетках квартиры определяется разностью между напряжением источника $U_0$ и падением напряжения на подводящих проводах: $U = U_0 - I \cdot r$. Так как ток $\text{I}$ резко возрастает, падение напряжения $I \cdot r$ также резко увеличивается, что приводит к мгновенному снижению напряжения $\text{U}$ в квартире. Яркость лампочки определяется ее мощностью, которая сильно зависит от напряжения ($P = U^2/R_{лампы}$). Снижение напряжения $\text{U}$ вызывает значительное уменьшение мощности и, как следствие, яркости лампочек.

2. Постепенное восстановление яркости. Нагревательный элемент электронагревателя (обычно металлическая спираль) обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления. Это означает, что по мере прохождения тока спираль нагревается, и ее электрическое сопротивление $R_{нагр}$ возрастает. Увеличение сопротивления нагревателя приводит к увеличению общего сопротивления всей цепи квартиры. В результате общий потребляемый ток $\text{I}$ начинает постепенно уменьшаться. Соответственно, падение напряжения на подводящих проводах $I \cdot r$ также уменьшается, а напряжение в сети квартиры $U = U_0 - I \cdot r$ начинает постепенно расти. Это приводит к постепенному увеличению мощности и яркости лампочек.

3. Неполное восстановление яркости. Даже после того, как нагреватель полностью прогреется и его сопротивление стабилизируется, он все равно остается мощным потребителем, и общий ток в сети будет значительно выше, чем до его включения. Поэтому итоговое напряжение в сети, хотя и станет выше, чем в первый момент после включения, все равно останется ниже первоначального значения. Следовательно, и яркость лампочек не вернется к исходному уровню.

Ответ: Лампочки меркнут из-за резкого увеличения общего тока в сети и, как следствие, падения напряжения на подводящих проводах. Затем их яркость частично восстанавливается, так как при нагревании спирали электронагревателя ее сопротивление растет, общий ток уменьшается, и напряжение в сети частично повышается, но не достигает первоначального значения из-за сохраняющейся высокой нагрузки.