Страница 170 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Пользуясь рисунком 104, расскажите, как устроена лампа накаливания.

1. Пользуясь рисунком 104, расскажите, как устроена лампа накаливания.

Лампа накаливания — это источник света, работающий за счет разогрева тела накала электрическим током. Она состоит из нескольких ключевых элементов.

Основной светящийся элемент — это нить накала, представляющая собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла (чаще всего вольфрама), скрученную в спираль для увеличения длины и, соответственно, сопротивления. Нить помещена внутрь стеклянной колбы, из которой откачан воздух (создан вакуум) или которая заполнена инертным газом (например, аргоном, криптоном). Газовая среда или вакуум необходимы для предотвращения окисления и быстрого перегорания раскаленной нити.

Электрический ток к нити накала подводится через электроды. Сама нить удерживается в центре колбы с помощью специальных держателей. Вся внутренняя конструкция крепится к цоколю — части лампы, которая служит для её фиксации в патроне и электрического контакта с сетью. Цоколь имеет два контакта: один на резьбовой боковой поверхности, другой — центральный контакт на донышке, изолированные друг от друга.

Принцип действия лампы основан на тепловом действии тока. При подключении к сети электрический ток проходит через нить накала. Обладая большим электрическим сопротивлением, нить сильно нагревается (до температуры 2000–2800 °C), в результате чего начинает испускать яркий видимый свет. Ответ: Лампа накаливания состоит из стеклянной колбы (с вакуумом или инертным газом), вольфрамовой нити накала, электродов и цоколя. Принцип её работы заключается в нагреве нити электрическим током до температуры, при которой она начинает ярко светиться.

2. Приведите примеры использования теплового действия тока.

Тепловое действие тока, количественно описываемое законом Джоуля–Ленца ($Q = I^2 \cdot R \cdot t$), широко используется в быту, технике и промышленности. Суть этого явления заключается в выделении теплоты в проводнике при прохождении по нему электрического тока. На этом принципе основана работа множества устройств. В быту это, прежде всего, различные нагревательные приборы: электрические плиты, духовки, электрочайники, утюги, тостеры, водонагреватели (бойлеры), фены, паяльники и всевозможные электрические обогреватели. В области освещения этот принцип используется в лампах накаливания, где свет является побочным продуктом сильного нагрева. Также тепловое действие тока лежит в основе работы защитных устройств — плавких предохранителей. В них тонкий проводник расплавляется и разрывает электрическую цепь, если сила тока превышает допустимое значение, тем самым защищая приборы от поломки. В промышленности тепловое действие тока применяется для электросварки, а также в мощных электроплавильных печах для выплавки металлов и сплавов. Ответ: Примерами использования теплового действия тока являются электрические нагревательные приборы (чайник, утюг, обогреватель), лампы накаливания, плавкие предохранители и аппараты для электросварки.

2. Приведите примеры использования теплового действия тока.

2. Тепловое действие тока, описываемое законом Джоуля-Ленца ($Q = I^2 \cdot R \cdot t$), находит широкое применение в быту и технике. Суть явления заключается в том, что при прохождении электрического тока через проводник с сопротивлением $R$ в течение времени $t$ выделяется количество теплоты $Q$. Это свойство используется в самых разнообразных устройствах, где основной целью является нагрев.

Примеры использования:

• Бытовые электронагревательные приборы: электрические плиты и духовки, утюги, электрические чайники, водонагреватели (бойлеры), паяльники, фены, электрические обогреватели (масляные радиаторы, конвекторы, тепловентиляторы). Во всех этих устройствах основной элемент — спираль или тэн с высоким сопротивлением, которая нагревается при прохождении тока.
• Осветительные приборы: классические лампы накаливания. В них тонкая вольфрамовая нить с большим сопротивлением под действием тока раскаляется до очень высокой температуры и начинает испускать видимый свет.
• Промышленные установки: мощные электропечи для плавки и термообработки металлов, аппараты для электросварки, где высокая температура в месте электрического контакта используется для плавления и соединения металлических деталей.
• Защитные устройства: плавкие предохранители. Они содержат легкоплавкий проводник, который рассчитан на определенную силу тока. При превышении этого значения проводник быстро нагревается, плавится и разрывает электрическую цепь, защищая приборы и проводку от повреждения.

Ответ: Примеры использования теплового действия тока включают бытовые нагревательные приборы (плиты, утюги, чайники), лампы накаливания, промышленные плавильные печи, аппараты для электросварки и плавкие предохранители.

3. Металл или сплав, предназначенный для изготовления спиралей электроплиток и других нагревательных элементов, должен обладать рядом специфических свойств, чтобы эффективно, безопасно и долго выполнять свою функцию. Количество теплоты, выделяемое спиралью, определяется законом Джоуля-Ленца: $Q = I^2 R t$. Чтобы получить большое количество теплоты $Q$, необходимо, чтобы спираль имела большое электрическое сопротивление $R$. Сопротивление проводника зависит от его свойств по формуле $R = \rho \frac{L}{S}$, где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $L$ – его длина, а $S$ – площадь поперечного сечения.

Исходя из этого, основные требования к материалу следующие:

1. Высокое удельное электрическое сопротивление ($\rho$). Это свойство позволяет изготовить нагревательный элемент значительного сопротивления, не делая его при этом чрезмерно длинным и громоздким. Чем выше $\rho$, тем короче и компактнее может быть спираль.
2. Высокая температура плавления. Спираль в процессе работы раскаляется докрасна, ее рабочая температура может достигать 800–1100 °C. Материал не должен плавиться или даже размягчаться при таких температурах, чтобы сохранить свою форму и работоспособность.
3. Жаростойкость (или окалиностойкость). Это способность материала сопротивляться окислению кислородом воздуха при высоких температурах. Если материал будет активно окисляться (покрываться окалиной), он быстро станет хрупким, его сечение уменьшится, сопротивление изменится, и в итоге он разрушится.

Этим требованиям хорошо отвечают специальные сплавы, такие как нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (сплав железа, хрома и алюминия), которые широко используются для изготовления нагревательных элементов.

Ответ: Металл для спиралей электроплиток должен обладать высоким удельным электрическим сопротивлением, высокой температурой плавления и высокой жаростойкостью (сопротивлением окислению при нагревании).

3. Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготавливают спирали электроплиток?

Металл или сплав, используемый для изготовления спиралей электроплиток, должен обладать рядом специфических свойств, чтобы эффективно и долговечно выполнять свою функцию — преобразование электрической энергии в тепловую.

Решение

Основной принцип работы нагревательного элемента электроплитки основан на законе Джоуля-Ленца, согласно которому количество теплоты $Q$, выделяющееся в проводнике с током, определяется формулой: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$ где $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление проводника, $t$ — время прохождения тока.

Чтобы получить значительное количество теплоты для нагрева, необходимо, чтобы спираль имела большое электрическое сопротивление $R$. Сопротивление проводника зависит от его материала и геометрических размеров по формуле: $R = \rho \frac{L}{S}$ где $\rho$ — удельное электрическое сопротивление материала, $L$ — длина проводника, $S$ — площадь его поперечного сечения.

Исходя из этих физических принципов и условий эксплуатации, материал для спирали электроплитки должен обладать следующими ключевыми свойствами:

1. Высокое удельное электрическое сопротивление ($\rho$). Как видно из формул, чем выше удельное сопротивление материала, тем большее сопротивление $R$ будет иметь проводник при тех же размерах. Это позволяет изготовить компактный нагревательный элемент (с умеренной длиной $L$ и толщиной $S$), который будет эффективно выделять большое количество тепла.
2. Высокая температура плавления. В рабочем состоянии спираль электроплитки раскаляется докрасна, ее температура может достигать 800-1000 °C. Материал спирали должен выдерживать такие высокие температуры, не плавясь и не деформируясь. Это обеспечивает долговечность и безопасность прибора.
3. Жаростойкость (сопротивление окислению при высоких температурах). При сильном нагреве на открытом воздухе многие металлы активно взаимодействуют с кислородом, то есть окисляются (перегорают). Этот процесс приводит к разрушению спирали. Поэтому материал для нагревательных элементов должен быть жаростойким — образовывать на своей поверхности тонкую, прочную и плотную оксидную пленку, которая защищает его от дальнейшего окисления и разрушения при высоких температурах.

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают не чистые металлы, а специальные сплавы, такие как нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (сплав железа, хрома и алюминия).

Ответ: Металл (сплав) для изготовления спиралей электроплиток должен обладать тремя основными свойствами: высоким удельным электрическим сопротивлением, высокой температурой плавления и высокой жаростойкостью (сопротивлением окислению при сильном нагреве).

УПРАЖНЕНИЕ 39

1. Какая основная часть присутствует у всех электронагревательных приборов? Какое действие тока в них используется?

1. Основной частью, которая присутствует абсолютно у всех электронагревательных приборов (например, у электрических чайников, утюгов, обогревателей, паяльников), является нагревательный элемент. Он представляет собой проводник, который специально изготовлен из материала с высоким удельным сопротивлением, например, из сплава нихрома. Главное требование к материалу нагревательного элемента — способность выдерживать нагрев до высоких температур, не плавясь и не окисляясь.

В электронагревательных приборах используется тепловое действие тока. Суть этого явления заключается в том, что когда по проводнику течет электрический ток, он нагревается. Происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении тока, описывается законом Джоуля — Ленца. Формула этого закона выглядит следующим образом:

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

где $Q$ — количество теплоты, $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление проводника, а $t$ — время прохождения тока. Чем выше сопротивление $R$ нагревательного элемента, тем большее количество теплоты $Q$ он выделяет при той же силе тока и за то же время.

Ответ: Основная часть — нагревательный элемент. Используется тепловое действие тока.

2. Почему электрическую лампу накаливания (см. рис. 104) можно использовать как электронагревательный прибор?

Электрическую лампу накаливания можно использовать как электронагревательный прибор из-за принципа её работы, который основан на тепловом действии электрического тока.

В основе конструкции лампы лежит нить накала — тонкий проводник из тугоплавкого материала (обычно вольфрама) с высоким электрическим сопротивлением. При прохождении через эту нить электрического тока, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, происходит выделение большого количества теплоты. Количество теплоты $Q$, выделяемое проводником с током, определяется формулой:

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

где $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление проводника, а $t$ — время прохождения тока.

Эта теплота раскаляет нить до очень высокой температуры (2000–3000 °C), в результате чего она начинает излучать свет. Однако этот процесс преобразования энергии крайне неэффективен. Лишь небольшая часть (около 5–10%) потребляемой электрической энергии преобразуется в видимый свет. Остальные 90–95% энергии превращаются в тепловое (инфракрасное) излучение, которое нагревает стеклянную колбу лампы и окружающее пространство.

Таким образом, поскольку основная доля энергии, потребляемой лампой накаливания, выделяется в виде тепла, а не света, её можно считать полноценным электронагревательным прибором. Это свойство находит практическое применение, например, в инкубаторах для птиц, террариумах или для сушки небольших предметов.

Ответ: Электрическую лампу накаливания можно использовать в качестве электронагревательного прибора, так как подавляющая часть (90–95%) потребляемой ею электрической энергии преобразуется в теплоту, а не в видимый свет.

3. Почему провод, с помощью которого настольная лампочка включается в сеть, практически не нагревается, в то время как нить лампочки раскаляется добела?

Решение

Провод, с помощью которого настольная лампочка включается в сеть, и нить накаливания самой лампочки соединены последовательно. Это означает, что сила тока $I$, протекающего через провод, и сила тока, протекающего через нить накаливания, одинаковы.

Количество теплоты $Q$, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, определяется законом Джоуля-Ленца:

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

где:

• $I$ – сила тока,
• $R$ – сопротивление проводника,
• $t$ – время прохождения тока.

Из этой формулы видно, что при одинаковой силе тока и времени его прохождения, количество выделяемой теплоты прямо пропорционально сопротивлению проводника ($Q \sim R$).

Ключевое различие между проводом и нитью накаливания заключается в их электрическом сопротивлении.

1. Провод: Его изготавливают из материала с низким удельным сопротивлением (например, меди) и делают достаточно толстым (с большой площадью поперечного сечения). Это обеспечивает очень малое электрическое сопротивление провода.
2. Нить накаливания: Ее изготавливают из материала с высоким удельным сопротивлением (например, вольфрама), делают очень тонкой и длинной. Все это делается для того, чтобы ее сопротивление было очень большим, в сотни раз больше сопротивления подводящего провода.

Поскольку сопротивление нити накаливания ($R_{нити}$) намного больше сопротивления провода ($R_{провода}$), то и количество теплоты, выделяющееся в ней, будет во столько же раз больше:

$Q_{нити} \gg Q_{провода}$

В результате этого большое количество теплоты, выделяющееся в нити, раскаляет ее до высокой температуры (около 2500–3000 °C), заставляя светиться белым светом. В то же время, незначительное количество теплоты, выделяющееся в проводе, легко рассеивается в окружающую среду, и провод практически не нагревается.

Ответ: Провод и нить накаливания соединены последовательно, поэтому сила тока в них одинакова. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество выделяемой теплоты прямо пропорционально сопротивлению. Сопротивление нити накаливания (сделанной из вольфрама, тонкой и длинной) в сотни раз больше сопротивления медного провода (толстого и с низким удельным сопротивлением). Поэтому на нити выделяется гораздо больше тепла, что приводит к ее раскаливанию, в то время как провод практически не нагревается.

4. Степень нагревания элементов электроплит может регулироваться. Как этого достигают?

Решение

Степень нагрева элементов электроплиты регулируется путем изменения количества теплоты, выделяемого нагревательным элементом в единицу времени, то есть изменением его электрической мощности. Мощность тока $P$ в нагревательном элементе зависит от напряжения в сети $U$ и сопротивления элемента $R$ и выражается формулой:

$P = \frac{U^2}{R}$

Поскольку напряжение в бытовой электросети $U$ является практически постоянной величиной, для регулировки мощности $P$ и, соответственно, степени нагрева, необходимо изменять общее сопротивление $R$ нагревательного элемента.

В традиционных электроплитах этого достигают за счет того, что каждая конфорка содержит несколько (обычно две) отдельных нагревательных спирали. Многопозиционный переключатель позволяет соединять эти спирали в различных комбинациях:

При последовательном соединении спиралей их общее сопротивление становится максимальным, так как оно равно сумме сопротивлений отдельных спиралей: $R_{общ} = R_1 + R_2$. Согласно формуле, максимальное сопротивление соответствует минимальной мощности и самому слабому нагреву.

При параллельном соединении спиралей их общее сопротивление становится минимальным. Величина, обратная общему сопротивлению, равна сумме обратных величин сопротивлений спиралей: $\frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$. Минимальное сопротивление обеспечивает максимальную мощность и самый сильный нагрев.

Также переключатель может включать только одну из спиралей, что дает промежуточные уровни мощности и нагрева.

Таким образом, поворачивая ручку переключателя, пользователь изменяет схему подключения спиралей, что приводит к изменению общего сопротивления конфорки и, как следствие, к изменению выделяемой мощности и температуры нагрева.

Ответ:

Регулирование степени нагрева элементов электроплит достигается путем изменения их общего электрического сопротивления. В конфорку встроено несколько нагревательных спиралей, которые с помощью переключателя можно соединять по-разному. Для слабого нагрева спирали соединяют последовательно, что увеличивает общее сопротивление и уменьшает мощность. Для сильного нагрева спирали соединяют параллельно, что уменьшает общее сопротивление и увеличивает мощность. Промежуточные режимы нагрева достигаются включением только одной из спиралей.