Понятие о расчете нагревательных приборов.

Для нормальной работы любого электронагревательного прибора его обмотка должна

быть правильно рассчитана.

Рассмотрим, чем определяется температура, которую принимает проволока под действием тока. Выделяющееся джоулево тепло не оста­ется внутри проволоки, а уходит вследствие теплопередачи (теплопро­водности, конвекции и излучения) через поверхность проволоки. Ко­личество теплоты, ушедшее вследствие теплопередачи, тем больше, чем больше разность температур проволоки и окружающей среды и чем луч­ше отводит тепло окружающая среда. Поэтому после включения тока температура проволоки постепенно повышается, пока через некоторое достаточно долгое время не сделается постоянной, а именно такой, что количество теплоты, выделяющееся в проволоке, в точности равно коли­честву теплоты, уходящему вследствие теплопередачи. Чем хуже про­водит тепло окружающая среда, тем выше эта окончательная темпера­тура, и, наоборот, чем лучше среда проводит тепло и чем лучше идет ох­лаждение, тем более низкую температуру принимает проволока под действием данного тока. Мы видим, что температура проволоки при данном токе тем выше, чем лучше ее тепловая изоляция. Поэтому стара­ются как можно лучше изолировать нагревательный прибор со всех сторон, кроме той, где должна быть использована высокая температура нагревательного элемента.

Чем меньше диаметр проволоки, тем больше сопротивление едини­цы ее длины и, следовательно, тем больше по закону Джоуля — Ленца количество теплоты, выделяемое данным током на единице длины проволоки. С другой стороны, чем тоньше проволока, тем меньше ее поверхность и тем меньше теплопередача. Поэтому температура про­волоки при данном токе тем выше, чем меньше ее диаметр.

Чтобы нагревательная обмотка не разрушалась слишком быстро, ее рабочая температура не должна превышать определенного значения, зависящего от материала проволоки. Это значит, что для проволоки данной толщины из данного материала существует некоторый предель­ный ток, выше которого проволока начинает быстро разрушаться. Из сказанного следует, что этот ток («максимальная нагрузка») зависит так­же и от тепловой изоляции и сила его значительно больше для проволоки, находящейся в воздухе и, следовательно, хорошо охлаждающейся бла­годаря конвекции, чем для проволоки, заключенной, например, в ас­бест. В табл. 4 приведены некоторые числовые данные, дающие макси­мальную допустимую нагрузку для нихрома в обычных электронагрева­тельных приборах и для ннкелина в реостатах. Предельная нагрузка в реостатах, указанная на приборе, определяется допустимой температу­рой, выше которой возникает пожарная опасность.

Лампы накаливания. Самым важным применением нагревательного действия тока является электрическое ос­вещение. Электрическое освещение было изобретено в 1872 г. русским электротехником и изобретателем Алек­сандром Николаевичем Лодыгиным (1847—1923). Он укре­пил между толстыми медными проволоками угольный стер­женек и заключил его вместе с концами проволок внутрь закрытого стеклянного баллона (рис. 97).

При пропускании тока стерженек раскалялся и давал свет. Лодыгиным были сделаны также попытки откачивать воздух из баллона, хотя имевшиеся в его распоряжении насосы были весьма несовершенны.

В 1879 г. американский изобретатель Томас Эдисон (1847—1931) построил более совершенную лампу накали­вания, заменив угольный стерженек обугленной бамбуковой нитью и улучшив технику откачки. В 1890 г. Лодыгиным была изобретена лампа накалива­ния с металлической (вольфрамовой) нитью.

Чем выше температура нити, тем большая часть излу­чаемой ею энергии отдается в виде света. Однако в первых лампах накаливания температура нити не могла быть выше 1500—1600 °С, и поэтому лампы накаливания хотя и пред­ставляли огромный шаг вперед по сравнению с прежними керосиновыми и другими лампами, но были мало экономичны: они потребляли около 6 Вт на каждую канделу силы света. Для повышения экономичности требовалось изыскать новые материалы для нити, которые позволили бы повысить ее температуру. В настоящее время техника изготовления тонких однородных нитей из вольфрама (температура плав­ления 3370° С) очень высока, и современные лампы накали­вания имеют вольфрамовые нити.

В 1913 г. американский физик и химик Ирвин Ленгмюр (1881—1957) предложил наполнять баллоны ламп инерт­ным газом (аргоном), присутствие которого замедляет ис­парение нити. Кроме того, Ленгмюр предложил свертывать нить в виде спирали, благодаря чему значительно умень­шается отдача теплоты при соприкосновении с газом, напол­няющим баллон, и, следовательно, повышается температура нити. Применение вольфрамовых спиралей и инертных га­зов позволило повысить температуру накала до 2400 °С и этим снизить расход энергии в мощных лампах до 0,6 Вт на канделу. На рис. 98 показано устройство современной лампы на­каливания. Она содержит спиральную вольфрамовую нить 1 приклепанную к концам металлических вводов 2. Вводы впаяны в стеклянную ножку лампы 3, внутри которой про­ходят проволоки, подводящие ток к спирали. Для того чтобы при нагревании проволок стекло не растрескалось, проволоки, идущие внутри стекла, делают из металлов с таким же температурным коэффициентом расширения, как и у стекла. Для откачки воздуха служит небольшая трубка 4, которая после удаления воздуха запаивается.

Для включения лампы ее снабжают металлическим цоко­лем, укрепленным на баллоне. Цоколь состоит из металли­ческой гильзы 5, имеющей винтовой желоб, и изолирован­ного от нее контакта 6, к которым припаиваются провода от нити накала. Включение в цепь осуществляется вверты­ванием цоколя лампы в специальный патрон. При вверты­вании цоколя до соприкосновения его вывода со штифтом патрона концы спирали накала оказываются соединенными с проводами осветительной сети.

Вопросы к тексту:

1. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца и запишите в виде формулы.

2. Какие формулы позволяют рассчитать количество теплоты, выделяющееся в отдельных проводниках, соединенных последовательно и параллельно?

3. Как вычисляется работа, совершаемая электрическим током?

4. В каком случае работа полностью переходит в теплоту?

5. Как вычисляется мощность электрического тока?

6. Исходя из формулы, по которой вычисляется мощность, покажите, каким образом получается единица измерения мощности ватт.

7. Что такое мощность в один ватт?

8. Решите задачи, приведенные в разделе «Задания».

9. В каком случае выделяется практически все джоулево тепло? Приведите примеры.

10. Укажите виды теплопередачи.

11. От чего зависит количество теплоты, ушедшее при теплопередаче?

12. Из чего следует утверждение: чем меньше диаметр проволоки, тем больше сопротивление единицы ее длины и тем больше по закону Джоуля-Ленца количество теплоты, которое выделяется данным током на единице длины проволоки.

13. От чего зависит «максимальная нагрузка»?

14. Кто изобрел электрическое освещение и в каком году?

15. Каким образом осуществлялось самое первое электрическое освещение?

16. Укажите единицу силы света.

17. Какие улучшения электрической лампочки произвел Эдисон?

18. Какие улучшения электрической лампочки произвел Ленгмюр?

19. Зачем баллоны лам наполняют инертным газом и свертывают нить накаливания в виде спирали?

20. Почему нити современных ламп накаливания делают из вольфрама?

Лекции для группы догоняющих

Простейшим видом движения в природе является механическое движение, состоящее в изменение взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени. Раздел физики, занимающийся изучением закономерностей механического движения, называется механикой. В более узком смысле слова под механикой часто понимают классическую механику, в которой рассматриваются движения макроскопических тел со скоростями, во много раз меньшими скорости света в вакууме. В основе классической механики лежат законы Ньютона, поэтому ее часто называют Ньютоновской механикой. Закономерности движения тел со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, являются предметом изучения релятивистской механики, а закономерности движения микрочастиц – квантовой механики.

Классическая механика состоит из трех основных разделов – статики, кинематики и динамики. В статике рассматриваются законы сложения сил и условия равновесия тел. В динамике исследуется влияние взаимодействия между телами на их механическое движение