§ 26. Електронагрівальні прилади

Перетворення енергії електричного струму на теплову енергію широко використовують у промисловому виробництві, сільському господарстві та побуті. Прилади, в яких енергія електричного струму перетворюється на теплоту, називають електронагрівальними приладами. Такими приладами є електричні плити, електричні чайники, системи електричного обі-

грівання приміщень, паяльники, праски, якими ми постійно користуємось. Нагрівальні прилади використовують для плавлення металу, підтримання певної температури в інкубаторах.

Основною складовою цих приладів є електронагрівальний елемент. За законом Джоуля—Ленца кількість теплоти, яка виділяється в провіднику, пропорційна квадрату сили струму і опору провідника. Основою нагрівального елемента є провідники, виготовлені з матеріалів, які мають значний питомий опір і витримують високі температури. їхній опір має бути значно більшим, ніж опір провідників, по яких струм підводиться до нагрівального елемента.

Розглянемо дію електроплитки. її нагрівник складається з ніхромового провідника, який має вигляд спіралі (мал. 2.90), закріпленої в керамічній основі конфорки. У багатьох електроплитах спіраль знаходиться всередині захисної металевої трубки (трубчатий електричний нагрівник ТЕН), заповненої ізоляційним матеріалом (мал. 2.91).

До виводів нагрівника приєднують з’єднувальні провідники, як правило, мідні. Електрична схема найпростішої нерегу-льованої електроплитки зображена на мал. 2.92. Опір підвідних провідників R1 незначний і становить менше ніж 0,1 Ом (R₁= 0,1 Ом). Опір ніхромової спіралі R2 у конфорки потужністю 500 Вт становить приблизно R₂ = 100 Ом. Напруга в мережі дорівнює 220 В. Можемо визначити силу струму в провідниках електроплитки такої потужності:

Як бачимо, майже усю роботу електричний струм виконує в сїіралі. Сїіраль (і нагрівальний елемент) нагрівається, а їід-відні їровідники залишаються холодними.

У більшості електроїлит сїіралі їоділені на дві-три окремі ділянки і мають додаткові виводи, з’єднані з їеремикачем. За доїомогою їеремикача можна увімкнути ту чи іншу ділянку сїіралі, з’єднувати їх їаралельно або їослідовно. Цим самим змінюється сїоживана їлитою їотужність і темїература нагрівання її теїлових елементів.

Усі інші тиїи нагрівальних їриладів їринциїово нічим не відрізняються від електроїлит. Залежно від їризначення вони можуть мати їристрої, за доїомогою яких їхня темїература їідтримується в їевних заданих межах. Такі їристрої називають терморегуляторами або термореле. На мал. 2.93 зображено деякі їобутові електронагрівальні їрилади.

Останнім часом електричний струм дедалі ширше використовують для обігрівання їриміщень. Однією з ефективних систем обігрівання є “теїлі їідлоги”. Як нагрівник у системах “теїла їідлога” застосовують закріїлений на їолімерній сітці їровід, що має великий їитомий оїір (мал. 2.94). Використовують також їолімерну їлівку з нанесеними на неї їровідни-ми карбоновими доріжками (мал. 2.95). Сітку або їлівку розкладають на їідлозі, вкривають їлиткою, ламінатом або ков-роліном і за доїомогою гнучких їровідників їриєднують до електричної мережі в квартирі.

Лампи розжарення. Особливе місце серед електронагрівальних їриладів належить електричним ламїочкам розжарення, які вже їонад сто років є головним джерелом освітлення будинків і вулиць у нічні години.

Лампа розжарення (мал. 2.96) — це джерело світла, в якому перетворення електричної енергії в світлову відбувається унаслідок розжарення струмом тугоплавкого провідника. У сучасних лампах таким провідником є спіраль 1 з тонкого вольфрамового дроту. Спіраль вміщена в прозорий скляний балон

2. Кінці спіралі закріплені на вводах 3, по яких до неї підводять струм. Вводи впаяні в скляну ніжку лапи 4, а їхні вільні кінці виведено назовні балона. Щоб лампа не розтріскувалася, вводи виготовляють з металів, в яких такий самий, як у скла коефіцієнт теплового розширення.

Для зручності використання лампи мають цоколь або спеціальні контактні виводи. У більшості освітлювальних ламп цоколь — металева гільза з гвинтовою канавкою 5 та ізольованим від гільзи центральним контактом 6, до яких припаюють провідники, що виходять з вводів. Цоколь лампочки вкручують або вставляють в спеціальний патрон, який забезпечує її увімкнення в електричну мережу.

Щоб світло, випромінюване джерелом, відповідало сонячному температура спіралі має становити приблизно 6000 °С — як на поверхні Сонця. Температура плавлення вольфраму 3410 °С. Тому температура розжарення нитки лампочки дорівнює приблизно 2700 °С.

За такої температури в повітрі вольфрамова нитка майже миттєво перетворюється на оксид вольфраму — згоряє. Тому з балона лампи повітря відкачують. Висока температура спричиняє у вакуумі випаровування вольфрамової спіралі. Щоб збільшити термін служби ламп, в їхні балони закачують гази: азот, криптон або аргон. Це перешкоджає випаровуванню вольфрамової спіралі. Проте, лише 5 % електричної енергії, яку споживає лампа розжарення, перетворюється на світлове випромінювання. Більша частина енергії струму в лампочці перетворюється на теплове (інфрачервоне) випромінювання.

До ламп розжарення належать галогенові лампи (мал. 2.97). Балони цих ламп виготовляють з кварцового скла, розміри їх невеликі. У балон добавляють пари брому або йоду. Це дає змогу підвищити температуру розжарення спіралі до 3000 °С, збільшити коефіцієнт корисної дії та тривалість роботи лампи.

Історія розвитку сучасних ламп розжарювання пов’язана з іменами багатьох учених і винахідників. Лампи розжарення від часу винайдення зазнали істотного удосконалення. Велику роль у тому, що лампи розжарення широко використовуються, відіграли дослідження відомого американського винахідника і підприємця Т. Едісона (1847—

1931 рр.). Він створив першу зручну для промислового виготовлення і досить довговічну конструкцію лампи. Патрон і цоколь, вимикачі, запобіжники, лічильники електричної енергії, а також багато інших елементів електричного освітлення були також винайдені ним і майже не змінилися до наших днів.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Що являє собою нагрівальний елемент електронагрівального приладу?

2.    Які матеріали використовують для виготовлення нагрівальних елементів електронагрівальних приладів?

3.    Наведіть приклади електронагрівальних приладів.

4.    Як побудовані сучасні лампочки розжарення?

5.    Чому для виготовлення спіралей лампочок розжарення використовують вольфрам?

6.    Навіщо балони сучасних ламп розжарення заповнюють інертними газами?

7.    Які переваги галогенових ламп розжарення порівняно зі звичайними освітлювальними лампами?

8.    На електричному чайнику зазначено 220 В, 1000 Вт. Яка сила струму в нагрівальному елементі чайника, коли його вмикають у мережу напругою 220 В?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко