Номер 5, страница 178 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

5. Приведите примеры использования теплового действия тока.

5. Приведите примеры использования теплового действия тока.

Тепловое действие тока, описываемое законом Джоуля-Ленца ($Q = I^2Rt$), заключается в выделении теплоты при прохождении электрического тока через проводник с сопротивлением. Это явление находит широкое применение в бытовых приборах и промышленных установках. Ниже приведены основные примеры.

• Электрические нагревательные приборы: Это самая обширная группа устройств, принцип работы которых основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. К ним относятся:
  • Приборы для приготовления пищи: электроплиты, духовки, грили.
  • Приборы для нагрева воды: электрические чайники, кофеварки, бойлеры.
  • Приборы для обогрева помещений: масляные радиаторы, конвекторы, тепловентиляторы, инфракрасные обогреватели, системы "теплый пол".
  • Бытовые приборы индивидуального пользования: утюги, паяльники, фены, выпрямители и плойки для волос.
• Осветительные приборы (лампы накаливания): В лампах накаливания электрический ток, проходя через тонкую вольфрамовую нить, раскаляет ее до очень высокой температуры (порядка 2500–3000 °C), в результате чего она начинает испускать яркий видимый свет. Стоит отметить, что это неэффективный способ освещения, так как около 95% потребляемой электроэнергии преобразуется в тепло, а не в свет.
• Защитные устройства: Плавкие предохранители и автоматические выключатели с тепловым расцепителем используют тепловое действие тока для защиты электрических цепей. В плавком предохранителе находится легкоплавкий проводник, который при протекании тока, превышающего номинальное значение, нагревается, плавится и разрывает цепь. В автоматических выключателях биметаллическая пластина изгибается при нагреве из-за тока перегрузки и приводит в действие механизм размыкания контактов.
• Промышленные технологии: Например, электросварка, при которой мощный электрический ток создает дугу с высокой температурой, достаточной для плавления металла и соединения деталей. Также тепловое действие используется в промышленных печах для плавки металлов или обжига керамики.

Ответ: Примерами использования теплового действия тока являются электрические нагревательные приборы (чайники, утюги, обогреватели), лампы накаливания, плавкие предохранители для защиты цепей и аппараты для электросварки.

6. Какими свойствами должен обладать проводник, применяемый для изготовления нагревательных элементов?

Проводник, используемый для изготовления нагревательных элементов, должен эффективно преобразовывать электрическую энергию в тепло, выдерживать длительную работу при высоких температурах и быть технологичным в производстве. Для этого он должен обладать следующими ключевыми свойствами:

• Высокое удельное электрическое сопротивление ($\rho$): Количество выделяемой теплоты $Q$ в проводнике прямо пропорционально его сопротивлению $R$ ($Q \propto R$). Сопротивление, в свою очередь, определяется по формуле $R = \rho \frac{L}{A}$, где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $L$ – длина, $A$ – площадь поперечного сечения. Высокое удельное сопротивление позволяет изготовить нагревательный элемент небольшого размера (малой длины и/или большой площади сечения), который при этом будет иметь достаточное сопротивление для выделения необходимого количества тепла.
• Высокая температура плавления: Нагревательный элемент по определению работает при высоких температурах. Чтобы он не расплавился и не разрушился, материал, из которого он изготовлен, должен иметь температуру плавления, значительно превышающую его рабочую температуру.
• Жаростойкость (сопротивление окислению при высоких температурах): При сильном нагреве на воздухе большинство металлов вступают в реакцию с кислородом, то есть окисляются, что приводит к их разрушению (перегоранию). Материал для нагревательного элемента должен быть устойчив к окислению. Лучшие материалы для этих целей (например, сплав нихром) образуют на своей поверхности тонкую, но очень прочную и плотную оксидную пленку, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода к металлу и защищает его от разрушения.
• Малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС): Это свойство означает, что сопротивление материала не должно сильно изменяться при изменении его температуры. Стабильность сопротивления обеспечивает предсказуемую и постоянную мощность нагревательного прибора при его выходе на рабочий режим.
• Механическая прочность и пластичность: Материал должен сохранять прочность при высоких температурах, не деформироваться и не провисать под собственным весом. В то же время он должен быть достаточно пластичным при комнатной температуре, чтобы из него можно было легко изготовить проволоку и придать ей нужную форму (например, свернуть в спираль).

Наиболее полно этим требованиям отвечают специальные сплавы, такие как нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (сплав железа, хрома и алюминия).

Ответ: Проводник для нагревательных элементов должен обладать высоким удельным сопротивлением, высокой температурой плавления, жаростойкостью (устойчивостью к окислению при высоких температурах), а также достаточной механической прочностью и пластичностью.