Страница 178 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Пользуясь рисунком 110, расскажите, как устроена лампа накаливания.

1. Пользуясь рисунком 110, расскажите, как устроена лампа накаливания.
Лампа накаливания состоит из нескольких ключевых частей. Основным элементом является нить накала, которая представляет собой тонкую спираль из тугоплавкого металла, чаще всего вольфрама. Нить накала размещается внутри стеклянной колбы. Из колбы откачивают воздух (создают вакуум) или заполняют её инертным газом (например, аргоном, криптоном или азотом) для того, чтобы предотвратить быстрое окисление и испарение вольфрамовой нити при высоких температурах. Нить накала крепится на электродах (держателях), которые проходят через стеклянную ножку лампы, называемую штенгелем. Электроды соединены с цоколем — металлической частью лампы, предназначенной для вкручивания в патрон. Цоколь имеет два электрических контакта: резьбовую часть и центральный контакт на дне, изолированный от резьбы. При подаче напряжения на контакты цоколя электрический ток проходит через нить накала, разогревая её до высокой температуры (около 2500–3000 °C), в результате чего она начинает ярко светиться.
Ответ: Лампа накаливания — это источник света, состоящий из стеклянной колбы, внутри которой в вакууме или инертном газе находится вольфрамовая нить накала. При прохождении электрического тока через нить она раскаляется и излучает видимый свет. Ток к нити подводится через электроды, соединённые с металлическим цоколем лампы.

2. Что такое ионизация газа?
Ионизация газа — это процесс образования положительных и отрицательных ионов, а также свободных электронов из электрически нейтральных атомов или молекул газа. В нормальных условиях газ является диэлектриком, так как его атомы и молекулы нейтральны. Чтобы газ начал проводить электрический ток, его необходимо ионизировать. Ионизация может происходить под действием различных факторов, называемых ионизаторами. К ним относятся: высокая температура, ультрафиолетовое, рентгеновское или радиоактивное излучение, а также сильное электрическое поле, которое ускоряет имеющиеся свободные заряды, и они, сталкиваясь с нейтральными атомами, выбивают из них электроны (ударная ионизация). В результате ионизации атом, потерявший один или несколько электронов, становится положительным ионом. Выбитый электрон может либо существовать как свободная частица, либо присоединиться к другому нейтральному атому, образуя отрицательный ион.
Ответ: Ионизация газа — это процесс отрыва электронов от атомов (или молекул) газа, в результате чего образуются свободные электроны и положительно заряженные ионы.

3. Что представляет собой элек-
Предположительно, вопрос сформулирован не полностью. Наиболее логичным продолжением является: «Что представляет собой электрический ток в газах?».
Электрический ток в газах представляет собой направленное движение свободных заряженных частиц. В отличие от металлов, где носителями тока являются только свободные электроны, в ионизированном газе (плазме) носителями заряда являются сразу несколько типов частиц: свободные электроны (движутся против направления вектора напряжённости электрического поля, то есть к аноду), положительные ионы (движутся по направлению поля, к катоду) и, в некоторых случаях, отрицательные ионы (образуются при «прилипании» электронов к нейтральным атомам и движутся также к аноду). Таким образом, электрический ток в газе является совокупностью потоков этих заряженных частиц. Возникновение и поддержание тока в газе называется газовым разрядом. Для его существования газ должен быть ионизирован, так как в неионизированном состоянии газ является диэлектриком.
Ответ: Если вопрос был об электрическом токе в газах, то это упорядоченное движение свободных электронов, положительных и отрицательных ионов, возникающее в ионизированном газе под действием электрического поля.

2. Что такое ионизация газа?

2. Что такое ионизация газа?

Ионизация газа — это физический процесс, в результате которого нейтральные атомы или молекулы газа теряют один или несколько электронов, превращаясь в положительно заряженные ионы. В результате этого процесса в газе появляются свободные носители электрического заряда: положительные ионы и электроны.

Газы в нормальных условиях являются диэлектриками, так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Чтобы газ стал проводником электрического тока, необходимо создать в нем свободные заряженные частицы. Этот процесс и называется ионизацией.

Для того чтобы оторвать электрон от атома или молекулы, необходимо сообщить ему энергию, достаточную для преодоления сил притяжения к ядру. Эта минимальная энергия называется энергией ионизации. Она измеряется в электрон-вольтах (эВ) и является характеристикой конкретного вещества.

Процесс ионизации может происходить под действием различных внешних факторов, называемых ионизаторами. Основные виды ионизации:

• Термическая ионизация: происходит при очень высоких температурах (тысячи кельвинов и выше), когда кинетическая энергия сталкивающихся частиц (атомов, молекул) становится достаточной для ионизации. Этот процесс играет ключевую роль в звездах и в пламени.
• Ударная ионизация (ионизация электронным ударом): происходит, когда летящий с большой скоростью электрон (или другая заряженная частица) сталкивается с нейтральным атомом и выбивает из него один из электронов. Это основной механизм поддержания самостоятельного газового разряда.
• Фотоионизация: происходит под действием электромагнитного излучения (света), когда фотон, поглощенный атомом, передает свою энергию электрону. Для ионизации энергия фотона $E = h\nu$ должна быть не меньше энергии ионизации атома. Обычно это происходит под действием ультрафиолетового, рентгеновского или гамма-излучения. ($h$ — постоянная Планка, $\nu$ — частота излучения).
• Ионизация сильным электрическим полем: при приложении очень сильного внешнего электрического поля электрон может быть «вытянут» из атома за счет сил поля.

Одновременно с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс — рекомбинация. Это процесс, при котором положительный ион и свободный электрон соединяются, образуя нейтральный атом. Устойчивое состояние ионизированного газа достигается, когда скорость ионизации становится равной скорости рекомбинации.

Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, называется плазмой. Плазма считается четвертым агрегатным состоянием вещества.

Ответ: Ионизация газа — это процесс отрыва электронов от атомов или молекул газа под воздействием внешних факторов (высокой температуры, излучения, электрического поля, столкновений с частицами), в результате чего образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны.

3. Что представляет собой электрический ток в газах?

2. В обычных условиях газ состоит из электрически нейтральных атомов или молекул и является диэлектриком, то есть не проводит электрический ток. Ионизация газа — это процесс отрыва одного или нескольких электронов от атомов или молекул газа под воздействием внешнего фактора (ионизатора). В результате этого процесса образуются свободные заряженные частицы: положительно заряженные ионы (атомы, потерявшие электроны) и свободные электроны. Иногда свободный электрон может присоединиться к нейтральной молекуле, образуя отрицательно заряженный ион.

Для ионизации необходимо сообщить электрону в атоме энергию, достаточную для преодоления сил притяжения к ядру. Основными способами ионизации газа являются:

• Нагревание газа до высокой температуры (термическая ионизация).
• Воздействие сильного электрического поля.
• Облучение газа ультрафиолетовыми лучами, рентгеновским или радиоактивным излучением (фотоионизация).
• Бомбардировка атомов газа быстрыми частицами (например, электронами или другими ионами), имеющими достаточную кинетическую энергию (ударная ионизация).

Одновременно с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс — рекомбинация, при котором свободный электрон и положительный ион соединяются, вновь образуя нейтральный атом. Ионизированный газ, содержащий свободные носители заряда, способен проводить электрический ток.

Ответ: Ионизация газа — это процесс образования свободных носителей заряда (положительных ионов и электронов) из нейтральных атомов или молекул газа под влиянием внешнего энергетического воздействия.

3. Электрический ток по определению представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В отличие от металлов, где носителями тока являются только свободные электроны, или от электролитов, где ток создается движением положительных и отрицательных ионов, в газах носители заряда более разнообразны.

Электрический ток в газах — это направленное движение свободных электронов и ионов (положительных и, в некоторых случаях, отрицательных), возникающее в ионизированном газе под действием электрического поля. Когда к объему ионизированного газа прикладывается электрическое поле (например, с помощью двух электродов — анода и катода), заряженные частицы приходят в упорядоченное движение:

• Свободные электроны, имеющие отрицательный заряд, движутся против направления вектора напряженности электрического поля, то есть к положительному электроду (аноду).
• Положительно заряженные ионы движутся по направлению вектора напряженности, то есть к отрицательному электроду (катоду).

Суммарный электрический ток в газе складывается из тока, создаваемого движением электронов, и тока, создаваемого движением ионов. Сам процесс протекания тока через газ называется газовым разрядом. Для его возникновения необходимо наличие в газе свободных носителей заряда, то есть газ должен быть ионизирован.

Ответ: Электрический ток в газах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов к аноду и положительных ионов к катоду, возникающее в ионизированном газе под действием электрического поля.

4. Вопрос является неполным, а рисунок 112 отсутствует. Однако можно предположить, что вопрос касается зависимости силы тока в газе от приложенного напряжения, которая обычно иллюстрируется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) газового разряда. Рассмотрим, как устанавливается ток в газе, который ионизируется постоянным внешним ионизатором (например, радиоактивным препаратом).

Вольт-амперная характеристика для такого случая (несамостоятельный газовый разряд) имеет три характерных участка:

1. Участок роста тока (при малых напряжениях). При подаче небольшого напряжения на электроды не все ионы и электроны, созданные ионизатором, успевают их достичь. Многие из них рекомбинируют по пути. С увеличением напряжения скорость движения частиц растет, все большее их число достигает электродов, и сила тока увеличивается. На этом участке зависимость тока от напряжения близка к линейной.
2. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения наступает момент, когда электрическое поле становится настолько сильным, что практически все электроны и ионы, создаваемые ионизатором в единицу времени, достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Сила тока достигает максимального значения, называемого током насыщения $I_{н}$. Дальнейшее увеличение напряжения в этом диапазоне не приводит к росту тока, так как его величина ограничена мощностью ионизатора. Разряд, который существует только при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.
3. Участок лавинного роста (при высоких напряжениях). Если напряжение превысит некоторое критическое значение (напряжение зажигания), электроны, ускоренные сильным полем, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов газа при столкновении с ними (ударная ионизация). Каждый такой акт ионизации создает новую пару "электрон-ион". Новые электроны также ускоряются полем и ионизируют другие атомы. Процесс приобретает лавинообразный характер, число носителей заряда резко возрастает, что приводит к стремительному увеличению силы тока. Такой разряд называется самостоятельным, так как он может продолжаться и после прекращения действия внешнего ионизатора.

Ответ: При наличии внешнего ионизатора ток в газе сначала растет с напряжением, затем достигает насыщения ($I_{н}$), когда все созданные ионизатором частицы собираются на электродах (несамостоятельный разряд). При достаточно высоком напряжении начинается ударная ионизация, приводящая к лавинообразному росту числа носителей заряда и резкому увеличению тока (самостоятельный разряд).

4. Пользуясь рисунком 112, расскажите, как устроена энергосберегающая лампа.

4. Энергосберегающая лампа, также известная как компактная люминесцентная лампа (КЛЛ), является газоразрядным источником света. Поскольку рисунок 112 не предоставлен, приводится общее описание её устройства и принципа работы.

Основные компоненты энергосберегающей лампы включают: стеклянную колбу, люминофор, электроды, электронный балласт и цоколь. Колба, часто спиралевидной формы, заполнена инертным газом (например, аргоном) и парами ртути. Её внутренняя поверхность покрыта слоем люминофора. На концах колбы расположены электроды. В цоколе лампы находится электронный балласт — схема, которая преобразует сетевое напряжение в высокочастотное, необходимое для работы лампы. Цоколь служит для подключения к патрону.

Принцип работы лампы таков: электронный балласт создает высокое напряжение между электродами, что вызывает газовый разряд в парах ртути. В результате этого разряда атомы ртути испускают невидимое ультрафиолетовое (УФ) излучение. Это УФ-излучение попадает на слой люминофора, который поглощает его и преобразует в видимый свет. От химического состава люминофора зависит оттенок света (тёплый или холодный).

Ответ: Энергосберегающая лампа состоит из стеклянной колбы с парами ртути и инертным газом, покрытой изнутри люминофором, электродов и электронного балласта в цоколе. Принцип её работы основан на газовом разряде в парах ртути, который создает УФ-излучение, преобразуемое люминофором в видимый свет.

5. Электрический ток в газах, или газовый разряд, нашёл широкое применение в разных сферах. Основные примеры можно сгруппировать по областям. В освещении это люминесцентные лампы (в том числе энергосберегающие), неоновые вывески, натриевые и ртутные лампы для уличного освещения, а также мощные ксеноновые лампы в прожекторах и киноаппаратуре. В промышленности и технологиях ток в газах используется для электродуговой сварки и резки металлов, где дуговой разряд создает высокотемпературную плазму. Также он применяется в микроэлектронике для плазменного травления при производстве микросхем и в газовых лазерах для создания лазерного излучения. В научных и измерительных приборах примером служат счетчики Гейгера, которые регистрируют ионизирующее излучение с помощью короткого газового разряда. Также можно упомянуть озонаторы, где коронный разряд применяется для синтеза озона.

Ответ: Примерами использования электрического тока в газах являются: осветительные приборы (люминесцентные, неоновые, натриевые лампы), электродуговая сварка и резка металлов, газовые лазеры, счетчики Гейгера, озонаторы.

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.

6. Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготавливают спирали электроплит?

6. Металл (или, точнее, сплав), из которого изготавливают спирали для электроплит и других нагревательных приборов, должен обладать набором специфических свойств, чтобы эффективно и долго выполнять свою функцию — преобразование электрической энергии в тепловую. Основные требования к такому материалу основаны на законе Джоуля-Ленца, который описывает количество теплоты ($Q$), выделяемое в проводнике с током:

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

где $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление проводника, $t$ — время. Сопротивление проводника, в свою очередь, зависит от его размеров и материала:

$R = \rho \frac{l}{S}$

где $\rho$ — удельное электрическое сопротивление материала, $l$ — длина проводника, $S$ — площадь поперечного сечения.

Исходя из этого, ключевые свойства металла для спирали электроплиты следующие:

1. Высокое удельное сопротивление ($\rho$). Чтобы получить значительное количество теплоты при стандартном напряжении сети (и, следовательно, ограниченной силе тока), необходимо большое сопротивление $R$. Высокое удельное сопротивление материала позволяет изготовить нагревательный элемент компактных размеров (не слишком длинный и тонкий), который будет иметь достаточное сопротивление для эффективного нагрева.
2. Высокая температура плавления. Спираль электроплиты в рабочем состоянии раскаляется докрасна, достигая температур в сотни градусов Цельсия (700-1000 °C). Материал спирали не должен плавиться или даже размягчаться при этих температурах, чтобы сохранить свою форму и работоспособность.
3. Жаростойкость (стойкость к окислению при высоких температурах). При сильном нагреве на воздухе многие металлы активно взаимодействуют с кислородом, то есть окисляются. Этот процесс приводит к образованию на поверхности слоя оксидов (окалины), который может быть хрупким, изменять электрическое сопротивление и в конечном итоге разрушать спираль. Поэтому материал должен быть устойчив к окислению при высоких рабочих температурах.
4. Пластичность. Для изготовления спирали материал должен быть достаточно пластичным, чтобы из него можно было изготовить тонкую проволоку и затем свернуть ее в спираль без разрушения.

Наиболее полно этим требованиям отвечают не чистые металлы, а специальные сплавы, такие как нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (сплав железа, хрома и алюминия). Они обладают высоким удельным сопротивлением, высокой температурой плавления и образуют на поверхности защитную оксидную пленку, которая препятствует дальнейшему окислению.

Ответ: Металл для спиралей электроплит должен обладать следующими основными свойствами: высоким удельным электрическим сопротивлением, высокой температурой плавления и высокой жаростойкостью (устойчивостью к окислению при сильном нагреве).

Если не касаться заряженного электроскопа, его заряд долгое время остаётся неизменным. Поместим рядом с шаром электроскопа зажжённую спичку — его листочки опадут. Как это объяснить?

Решение

Обычно воздух является хорошим диэлектриком (изолятором), поскольку в нём содержится очень мало свободных носителей заряда — ионов и электронов. Поэтому заряженный электроскоп, окружённый воздухом, может сохранять свой заряд в течение длительного времени.

Когда к шару электроскопа подносят зажжённую спичку, её пламя сильно нагревает окружающий воздух. Высокая температура придаёт молекулам воздуха (в основном азота и кислорода) большую кинетическую энергию. При столкновениях молекулы начинают ионизироваться — то есть терять или приобретать электроны, превращаясь в положительные и отрицательные ионы. Процесс образования ионов под действием высокой температуры называется термической ионизацией.

Таким образом, вокруг пламени спички воздух становится ионизированным и, как следствие, электропроводным. В нём появляется большое количество подвижных заряженных частиц.

Электрическое поле, создаваемое заряженным электроскопом, начинает действовать на эти частицы:

• Если электроскоп заряжен положительно (на нём недостаток электронов), его шар притягивает из воздуха отрицательные ионы и свободные электроны. Они оседают на шаре, нейтрализуя его положительный заряд.
• Если электроскоп заряжен отрицательно (на нём избыток электронов), его шар притягивает из воздуха положительные ионы, которые забирают избыточные электроны, или отталкивает свободные электроны в воздух. В обоих случаях заряд электроскопа нейтрализуется.

В результате этого процесса электроскоп быстро разряжается. По мере уменьшения заряда на стержне и листочках сила их взаимного отталкивания ослабевает, и листочки под действием силы тяжести опадают.

Ответ: Пламя зажжённой спички ионизирует окружающий воздух, делая его проводником электрического тока. Через этот проводящий воздух заряд с электроскопа нейтрализуется (стекает), что приводит к опаданию его листочков.

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

1. Основной частью, которая присутствует у всех без исключения электронагревательных приборов, является нагревательный элемент. Это проводник, обладающий высоким электрическим сопротивлением. Его основная задача — преобразовывать электрическую энергию в тепловую. Для изготовления таких элементов обычно используют специальные сплавы, например, нихром (сплав никеля и хрома) или фехраль (сплав железа, хрома и алюминия). Эти материалы выбраны потому, что они обладают высоким удельным сопротивлением, выдерживают высокие температуры, не плавясь и не окисляясь на воздухе.

В работе этих приборов используется тепловое действие тока. Это явление заключается в том, что при прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Количество выделяемой теплоты ($Q$) определяется законом Джоуля-Ленца:

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

где $I$ — сила тока, проходящего через проводник, $R$ — сопротивление проводника, $t$ — время, в течение которого течет ток. Именно благодаря этому эффекту электрический чайник кипятит воду, утюг гладит белье, а обогреватель согревает комнату.

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

2. Почему электрическую лампу накаливания (см. рис. 110) можно использовать как электронагревательный прибор?

Решение

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

1. Основным рабочим элементом лампы накаливания является тонкая проволока (нить накала), изготовленная из тугоплавкого металла, как правило, вольфрама. Эта нить имеет высокое электрическое сопротивление.

2. Когда лампа подключается к источнику электрического тока, через нить накала начинает течь ток. Согласно закону Джоуля-Ленца, при прохождении тока через проводник с сопротивлением выделяется тепло. Количество выделенной теплоты $Q$ прямо пропорционально квадрату силы тока $I$, сопротивлению проводника $R$ и времени прохождения тока $t$:

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

3. Из-за высокого сопротивления нить накала очень сильно нагревается, достигая температуры 2000–3000 °C. При такой высокой температуре тело начинает ярко светиться, испуская излучение в видимом диапазоне спектра. Это явление называется накаливанием, и именно оно используется для освещения.

4. Ключевым моментом является эффективность этого процесса. Коэффициент полезного действия (КПД) лампы накаливания как источника света крайне низок. Только около 5–10% всей потребляемой электрической энергии преобразуется в видимый свет. Остальные 90–95% энергии преобразуются непосредственно в тепловую энергию, которая излучается в виде инфракрасного излучения и нагревает стеклянную колбу лампы и окружающую среду.

Таким образом, лампа накаливания по своей сути является гораздо более эффективным нагревателем, чем осветительным прибором. Именно это мощное выделение тепла и позволяет использовать её в качестве простого электронагревателя, например, для обогрева террариумов, инкубаторов или для сушки небольших предметов.

Ответ: Электрическую лампу накаливания можно использовать как электронагревательный прибор, потому что большая часть (90–95%) потребляемой ею электрической энергии преобразуется не в свет, а в тепло в соответствии с законом Джоуля-Ленца, что приводит к сильному нагреву самой лампы и окружающего пространства.

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

Решение

Провод, с помощью которого настольная лампа включается в сеть, и нить накаливания лампы соединены последовательно. Это означает, что сила тока, проходящего через провод и через нить, абсолютно одинакова.

Количество теплоты $Q$, которое выделяется в проводнике при прохождении через него электрического тока, описывается законом Джоуля-Ленца: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$ где $I$ – сила тока, $R$ – электрическое сопротивление проводника, $t$ – время прохождения тока.

Так как сила тока $I$ и время $t$ для провода и нити накала одинаковы, то количество выделяемой теплоты $Q$ напрямую зависит только от сопротивления $R$. Элемент цепи с большим сопротивлением будет выделять больше тепла и, следовательно, нагреваться сильнее.

Разница в нагреве обусловлена огромным различием в сопротивлении провода и нити накаливания:

1. Соединительный провод специально изготавливается с очень низким сопротивлением. Для этого используются материалы с хорошей проводимостью (например, медь) и делается достаточно большая площадь поперечного сечения (толстый провод). В результате его сопротивление близко к нулю, и на нем выделяется очень малое количество теплоты, которое легко рассеивается в окружающую среду.

2. Нить накаливания лампы, наоборот, создается с очень высоким сопротивлением. Ее изготавливают из тугоплавкого материала с высоким удельным сопротивлением (например, вольфрама), делают очень тонкой и длинной (для компактности скручивая в спираль). Из-за очень большого сопротивления нити ($R_{нити} \gg R_{провода}$) в ней, согласно закону Джоуля-Ленца, выделяется огромное количество теплоты. Это приводит к тому, что нить раскаляется до высокой температуры и начинает ярко светиться.

Таким образом, практически вся тепловая мощность выделяется на участке цепи с наибольшим сопротивлением, которым и является нить лампы.

Ответ: Провод и нить лампы соединены последовательно, поэтому сила тока в них одинакова. Согласно закону Джоуля-Ленца ($Q = I^2 R t$), количество выделяемой теплоты прямо пропорционально сопротивлению. Сопротивление соединительного провода очень мало, поэтому он почти не нагревается. Сопротивление нити накаливания очень велико, поэтому в ней выделяется большое количество теплоты, и она раскаляется добела.

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

Степень нагревания элементов электроплит регулируется путем изменения количества теплоты, выделяемого нагревательным элементом в единицу времени, то есть изменением его электрической мощности. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество выделяемой теплоты $Q$ можно рассчитать по формуле $Q = I^2 \cdot R \cdot t$, где $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление, а $t$ — время. Мощность $P$, то есть скорость выделения тепла, связана с напряжением сети $U$ и сопротивлением $R$ как $P = \frac{U^2}{R}$. Поскольку напряжение $U$ в бытовой сети постоянно, регулировать мощность нагрева можно, изменяя параметры цепи. На практике это достигается двумя основными способами.

Первый способ — ступенчатое изменение сопротивления. Нагревательный элемент (конфорка) часто состоит из нескольких секций (спиралей). Специальный многопозиционный переключатель позволяет соединять эти секции по-разному. Для получения максимального нагрева секции соединяют параллельно. При таком соединении общее сопротивление цепи минимально, что согласно формуле $P = U^2/R$ дает максимальную мощность. Для слабого нагрева секции соединяют последовательно. Общее сопротивление при этом становится максимальным, а мощность — минимальной. Промежуточные положения переключателя обеспечивают другие уровни мощности, включая, например, только одну из секций.

Второй способ — импульсная регулировка мощности. Он используется в плитах с плавной регулировкой. Специальное устройство, терморегулятор, периодически включает и выключает нагревательный элемент, который при включении всегда работает на полную мощность. Регулировка происходит за счет изменения соотношения времени, когда элемент включен, и времени, когда он выключен. Для сильного нагрева элемент работает дольше, а для слабого — включается лишь на короткие промежутки времени. Таким образом, изменяется средняя мощность, подводимая к конфорке, что и позволяет плавно регулировать температуру.

Ответ:

Регулировка степени нагрева элементов электроплит достигается за счет изменения их электрической мощности. Это делается либо ступенчато, путем изменения общего сопротивления нагревательного элемента (переключением его секций с последовательного на параллельное соединение и наоборот), либо плавно, с помощью терморегулятора, который периодически включает и выключает элемент, тем самым изменяя среднюю мощность, подводимую к нему за единицу времени.