Страница 178 — Глава 2. Электрические явления. § 48. Лампа…

Основная часть лампы накаливания — спираль (1) из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. Спираль помещена в стеклянный баллон (2), из которого выкачан воздух, а затем баллон наполняют инертными газами (азотом и аргоном): это предотвращает окисление спирали и препятствует её испарению. Концы спирали припаяны к двум вводам; один вывод соединён с винтовым металлическим цоколем (3), другой — через изолированное основание цоколя (4) с пружинящим контактом (5) на дне цоколя. Лампу ввинчивают в патрон, цоколь и пружинящий контакт попадают в цепь, и ток идёт по спирали, раскаляя её до яркого свечения.

Ионизация газа — это распад молекул (атомов) газа на электроны и положительные ионы. В обычных условиях газ состоит из электрически нейтральных атомов и молекул и ток не проводит. Под действием ионизаторов — нагревания, рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения и др. — часть электронов отрывается от атомов. В газе появляются свободные заряженные частицы: электроны и ионы, и газ становится проводником.

Электрический ток в газе — это направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Для его возникновения газ нужно ионизировать и поместить между электродами, создав электрическое поле. Электрический ток в газе иначе называют газовым разрядом. При достаточно высоком напряжении разряд возникает и без внешнего ионизатора: разогнанный полем электрон ионизирует атомы при столкновении, число заряженных частиц лавинообразно растёт.

Лампа состоит из стеклянной колбы (2), наполненной парами ртути, пускорегулирующего устройства (1) и цоколя (3). Протекание тока в парах ртути вызывает невидимое ультрафиолетовое излучение. На внутреннюю поверхность колбы нанесено специальное вещество — люминофор, которое под действием ультрафиолета начинает светиться видимым светом. Пускорегулирующее устройство, расположенное в основании, зажигает разряд и ограничивает силу тока. Такая лампа даёт столько же света, как лампа накаливания, но потребляет в несколько раз меньше электроэнергии.

Тепловое действие тока используют в лампах накаливания, электрических плитах и чайниках, утюгах, электрокаминах и обогревателях, фенах, паяльниках, электрических печах для плавки металлов, электрокипятильниках, в предохранителях и тепловых реле, в тостерах и обогревателях салона автомобиля. Во всех этих приборах электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию проводника-нагревателя, который передаёт её нагреваемому телу.

Металл спирали должен иметь большое удельное сопротивление, чтобы при небольшой длине провода выделялось много теплоты (Q = I²Rt). Он должен быть тугоплавким и выдерживать нагрев до сотен градусов без разрушения, не окисляться на воздухе при нагреве (быть жаростойким), быть достаточно прочным и пластичным, чтобы из него можно было изготовить проволоку и свернуть спираль. Таким требованиям отвечают нихром, фехраль, константан.

Пламя спички нагревает воздух вокруг и ионизирует его: в воздухе появляются свободные электроны и ионы обоих знаков. Воздух перестаёт быть диэлектриком и становится проводящим. Ионы, знак заряда которых противоположен знаку заряда электроскопа, притягиваются к шару и нейтрализуют заряд, а одноимённые отталкиваются и уходят прочь. Заряд электроскопа стекает через ионизированный воздух, поэтому листочки опадают.

Основная часть всякого электронагревательного прибора — нагревательный элемент: проводник (чаще всего спираль или лента из сплава с большим удельным сопротивлением, например нихрома). Используется тепловое действие тока: при прохождении тока проводник нагревается (по закону Джоуля—Ленца Q = I²Rt), а теплота передаётся воде, пище, воздуху или одежде.

Нить (спираль) лампы накаливания нагревается током до очень высокой температуры, около 2500 °C. Лишь малая часть энергии излучается в виде видимого света, а большая часть выделяется в виде теплоты (лампа заметно горячая). Значит, лампа превращает электрическую энергию в тепловую, и её можно использовать для обогрева, например в инкубаторе, для сушки, обогрева террариума или рассады.

Провод и нить лампы соединены последовательно, поэтому сила тока в них одинакова. Количество теплоты Q = I²Rt пропорционально сопротивлению. Сопротивление медных проводов подводки очень мало: медь имеет малое удельное сопротивление, а площадь сечения провода относительно велика. Сопротивление вольфрамовой нити во много раз больше (тонкая длинная нить, большое удельное сопротивление). Поэтому в нити выделяется много теплоты и она раскаляется добела, а провод нагревается очень слабо.

Мощность нагревателя P = U²/R зависит от сопротивления включённой части спирали. В электроплитах нагревательный элемент состоит из нескольких секций, которые с помощью переключателя соединяют по-разному (одну секцию, две последовательно, две параллельно): сопротивление меняется, и нагрев становится слабее или сильнее. Кроме того, применяют системы автоматического регулирования температуры: при достижении нужной температуры прибор (или его часть) автоматически отключается от сети, а при остывании снова включается.