Exitonservice.ru

Экситон Сервис
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Какая сила тока в лампочке накаливания

2.3. Новые типы задач ЕГЭ. Границы применения закона Ома и графические задачи на лампочки накаливания в КИМах ЕГЭ 2020-2022

Границы применения закона Ома и графические задачи на лампочки накаливания в КИМах ЕГЭ 2020-2022

Естественно, что только в незначительной части практических применений (линейные цепи и их элементы) сила тока прямо пропорциональна напряжению. Области, где это не так, значительно шире. Рассмотрим некоторые из этих областей.

1) Пусть мы имеем электродвигатель, сопротивление ротора которого Rр. Понятно, что

т.к. ротор движется в магнитном поле, в нем возникает ЭДС индукции εинд. Как же определить силу тока через двигатель? Можно воспользоваться законом сохранения энергии.

За 1 с внешнее поле совершает работу U∙I, в роторе выделяется количество теплоты Q = I 2 ∙Rр и совершается механическая работа двигателя Амех. Тогда в соответствии с законом сохранения энергии можно записать: U∙I = I 2 ∙Rр + Амех.. Это соотношение и позволяет определить силу тока. Закон Ома не позволяет это сделать.

В качестве второго примера рассмотрим лампу накаливания. Ниже приведены результаты исследования двух лампочек.

Эти результаты показывают, что сила тока через лампочку не подчиняется закону Ома. Причину этого понять относительно просто: спираль лампы нагревается, движение ионов и электронов увеличивается, сопротивление растет, следовательно,

Сила тока перестает быть прямо пропорциональной напряжению.

Аналитическое выражение зависимости I (U) может быть определено двумя способами.

Первый способ

Функция I (U) может быть выведена теоретически. Для этого можно воспользоваться универсальным соотношением, справедливым для любой лампы накаливания:

В справедливости этой закономерности можно убедиться, опираясь на экспериментальные данные, приведенные выше.

Второй способ

Зная характер зависимости I (U), можно воспользоваться регрессионным анализом с использованием калькулятора: y=A=ab x .

При подготовке к ЕГЭ следует иметь в виду, что задачи с лампочками решаются графически.

Рассмотрим примеры

1) На рисунке представлены графики зависимости силы тока от напряжения двух лампочек — Л1 и Л2.

Эти лампочки включены последовательно.

Что показывает вольтметр, если амперметр показывает 0,4 А?

2) Графики зависимости силы тока от напряжения двух лампочек Л1 и Л2 представлены на рисунке.

Эти лампочки включены по схеме.

Вольтметр показывает 4 В. Что показывает амперметр?

3) На рисунке изображена зависимость силы тока через лампу накаливания от приложенного к ней напряжения. Выберите два верных утверждения, которые можно сделать, анализируя этот график.

  1. Сопротивление лампы уменьшается при увеличении силы тока, текущего через нее.
  2. Мощность, выделяемая в лампе при напряжении 110 В, равна 50 Вт.
  3. Мощность, выделяемая в лампе при напряжении 170 В, равна 76,5 Вт.
  4. Сопротивление лампы при силе тока в ней 0,35 А равно 200 Ом.
  5. Мощность, выделяемая в лампе, увеличивается при увеличении силы тока.

4) В качестве четвертого примера сравним проводимость металлов и электролитов с целью понять, почему при совершенно разных носителях и взаимодействиях закон Ома выполняется и для металлов, и для электролитов.

Вспомним еще раз, в чем суть механизма сопротивления металлов. Она состоит в том, что сопротивление возникает при взаимодействии электронов с ионами, результатом которого является полная передача энергии, полученной электронами от электрического поля ионной решетки. Это ключевой факт для выполнения закона Ома.

Сам процесс роли не играет, именно поэтому в электролитах взаимодействие ионов совсем другое, но его результат такой же: энергия полностью передается ионам. В электролитах наночастицы гидратированные ионы (см. рис. и таблицу) находятся под действием двух сил — силы поля и силы сопротивления. Энергия поля непрерывно передается ионам электролита.

Характеристики гидратированных ионов

*) — Литературные значения rs нм для ионов: Li + — 0.370, Na + — 0.330.

Почему перегорают лампочки накаливания?

Не борись с темнотой.
Впусти свет, и темнота исчезнет.

Махариши Махеш Йоги

Заходите вы в квартиру, щелкаете выключателем в ожидании того, что загорится свет, но этого не происходит. Что же случилось? Варианта два: либо отключили свет, либо перегорела лампа. Предлагаю разобраться с последним: как и почему перегорают лампочки накаливания?

Для того, чтобы перегореть, у лампочки Ильича есть шесть причин:

Причина 1

Давайте начнем с самой основной — перенапряжение (то есть когда напряжение превышает нормальное — 220 В). Лампа накаливания рассчитана на напряжение до 230 В, и при таких показателях температура нити может достигать 2300 °С. Если повысить напряжение в сети, то соответственно повысится и температура нити, а это может привести к различного рода повреждениям в зависимости от вида перенапряжения. Если напряжение не очень сильно превышает допустимые значения, то это вызовет ускоренное испарение вольфрама с тела накала и, следовательно, скорейшее перегорание лампы.

Другой вариант предполагает резкий и сильный скачок напряжения, который может привести в разрыву нити. В отечественных сетях напряжение далеко не всегда стабильное, и если жители больших городов не особенно чувствуют его перепады, то в деревнях и маленьких городах это нормальное явление. От таких скачков защищена только светодиодная лампа, так как имеет в своей конструкции выпрямитель. Дадим вам пару советов как помочь лампочке Ильича пережить колебания «розеточного монстра».

Первый — это установить диммер, специальный выключатель, который регулирует подаваемое к источникам света напряжение, и плавно включать лампу, так как абсолютно любая лампа накаливания подходит к диммеру, а он в свою очередь ограничит напряжение на лампе.

Второй совет — обращать внимание на маркировку на лампе и искать лампу в диапазоном допустимого напряжения сети 230-250 В. И чуть-чуть занимательной статистики: постоянное перенапряжение всего на 1% способно сократить срок службы лампы на 15%.

Читать еще:  Подключение электролампочки от двух выключателей

Остальные причины, как правило, встречаются не так часто, но рассмотрим и их тем не менее:

Причина 2

Некачественная проводка от щитка до осветительного прибора. Это значит, что где-то могут быть плохо соединены провода, и как следствие может «закоротить» проводку, то есть произойти короткое замыкание. Как мы уже говорили, лампа перегорает из-за скачков напряжения, а замыкания проводки их обязательно вызовут.

Причина 3

Третья причина кроется в выключателе, точнее, в степени его изношенности. Со временем в выключателе могут изнашиваться контакты, да и сам он уже с прилавка может быть не самый качественный. Не следует использовать дешевые выключатели непроверенных производителей, они в конечном счете выйдут дороже, чем качественные. Так, износ контактов, их подгорание или некачественное изготовление, тоже могут привести к замыканию проводки и перегоранию лампы.

Причины 4 и 5

Еще одной помехой в работе лампы может быть патрон. Изношенный, некачественный, сгоревший патрон может стать причиной перегорания и замыканий, из-за которых лампа начнет мигать и очень быстро прикажет долго жить. Давайте так же добавим к этой причине очень схожую — частое включение и выключение, и далее поговорим про обе сразу. На самом деле все просто и засада в физике.

Из закона Ома все помнят, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Рассказываю к чему я все это — про сопротивление все знают так или иначе еще со школы. А про «ТКС» (так называемый температурный коэффициент электрического сопротивления) как-то подзабыли. Для полупроводников он, как правило, отрицательный, а для вольфрама — положительный. В остатке имеем факт роста сопротивления вслед за температурой. Представьте, мы включаем лампу, через нить начинает проходить сильное напряжение, и падает оно по мере нагрева. Если нить постоянно то нагревают, то остужают, из-за сопротивления ей придет конец. Она лопнет по причине износа. Так что стоит использовать качественный патрон и не включать-выключать лампу постоянно. Если выключили — пусть остывает. Помните: если не остужать нить, она перегреется и лопнет.

Причина 6

Причина последняя — некачественная лампа. Поверьте, лампы накаливания все стоят недорого, так что не стоит экономить десять рублей, оно выйдет боком. Вы поменяете несколько дешевых ламп за то время, которое проработает одна качественная. Хотя я бы купил светодиодные лампы, это в конечном итоге экономия, да и только.

Вывод — причин перегорания лампы много, а она одна. Если вы вдруг все-таки решили пользоваться лампами накаливания, я надеюсь, что мои советы помогут вам продлить срок службы ламп. Ведь у этих ламп так же есть почитатели, которые любят их желтый свет, и ради этого света готовы переплачивать за электроэнергию. На сегодня это все, в следующей статье я расскажу почему перегорают энергосберегающие люминесцентные лампы.

Из чего состоит лампа

Строение лампы накаливания

Строение и схема лампы накаливания выглядят так:

  • стеклянная колба грушевидной или округлой формы;
  • тело накала (вольфрамовая или угольная нить), расположенное в ней на двух держателях-крючках;
  • два электрода;
  • предохранитель;
  • ножка;
  • цоколь (корпус) с изолятором;
  • его контакт (донышко).

Окисление вольфрамовой нити (спирали, тела накала) исключается за счет её помещения в вакуум или газообразную среду. Ими наполняют стеклянную колбу.

Как же продлить жизнь лампам накаливания?

Есть несколько способов:

Применение полупроводникового диода

Последовательно подключенный в сеть вместе с лампой диод позволит значительно увеличить срок службы лампы (в некоторых случаях удавалось добиться непрерывного горения лампы в течении нескольких лет). В основе этого принципа – выпрямление переменного тока, за счет чего удается снизить электрическую нагрузку на прибор.

  • Дешевизна и простота.
  • Удобность применения (диод можно установить в корпус выключателя, перед патроном лампы или прямо перед цоколем (см. рисунок)).
  • Снижение яркости свечения
  • Мерцания лампы в процессе свечения.

Включение лампы через терморезистор

Применение терморезистора, обладающего отрицательным коэффициентом сопротивления (уровень сопротивления обратно пропорционален температуре), позволяет «отвести» часть токов от нити накаливания до того, пока не прогреются нить и сам резистор.

  • Простота реализации
  • Значительное снижение риска перегорания при включении.
  • Отсутствие защиты от перепада напряжения.
  • Небольшое увеличение расхода энергии из-за потерь на резисторе.

Подключение через дроссель

Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником включается последовательно с лампой. Благодаря индукции в момент подачи тока все напряжение сети сосредоточенно на дросселе. Таким образом, достигается задержка в зажигании лампы и плавность включения.

  • Снижение риска выхода из строя при включении
  • Нет защиты от роста напряжения
  • Потери яркости лампы (хоть и меньше, чем при использовании диода).
  • Свет включается не сразу

Включение через диодный мост

Применение сложной конструкции из нескольких диодов и резисторов обеспечит прекрасную защиту лампы при включении, сочетая в себе достоинства предыдущих способов.

  • Надежная защита от перегорания
  • Сложность реализации

Все эти способы требуют наличия навыков и познаний в области электротехники, так как требуют расчетов для подбора оптимальных компонентов. Высокое напряжение опасно для здоровья и жизни! Соблюдайте все правила техники безопасности при работе с электросетью!

В 1874 году русский ученый Александр Лодыгин впервые представил несколько лампочек с телом накаливания из вольфрама. Его образцы стали прообразом всех современных ламп накаливания.

Все лампы накаливания, в том числе и галогеновые работают на принципе нагрева нити (тела) накаливания до температуры от 2700°К до 3000°К, в результате протекания через них электрического тока.

Конструкция ламп накаливания

Главным элементом любой лампы накаливания является нить, которая обычно изготавливается из тонкой, проволоки, реже ленточки, из вольфрама. Для того, чтобы нить была компактной, ее свивают в спираль, а свитую нить в спираль свивают еще раз, получается биспираль. Благодаря такой конструкции, при большой длине вольфрамовой проволочки, нить накала лампочки получается компактной.

Читать еще:  Выключатель диммер для ламп накаливания

Для долговечности спираль накала помещают в колбу, из которой откачан воздух. Иначе вольфрам быстро в воздухе окислится и перегорит. Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) колбы ламп большой мощности заполняют смесью газов азота с инертным аргоном. Если требуется высокая надежность, то колбу заполняют чистым инертным газом — аргоном, криптоном или ксеноном под давлением, например галогенные лампочки и для автомобильных фар заполняют парами галогенов брома или йода. Но стоимость таких лампочек в несколько раз выше.

Для подвода электрического тока и фиксации нити накала в центре колбы служат токовводы, в которых с одной стороны обжата или приварена точечной сваркой нить накала, а другие их концы соединены пайкой или точечной сваркой с цоколем.

На резьбы цоколей для ламп распространяется ГОСТ Р МЭК 60238-99, согласно которого цоколи для сети 220 В выпускаются трех типов. Е27 – наиболее распространен. Е14 – в быту именуемый миньон (обычно такие лампочки устанавливают для подсветки в холодильниках, СВЧ печах). Е40 – для ламп уличных светильников. Число после буквы обозначает внешний диаметр резьбы цоколя. Автомобильные лампочки для фары Н4 производятся в основном с цоколем по британскому стандарту (цоколь лампочки для фары на фото по центру).

На капсульные галогенные лампы накаливания цоколь не устанавливается, питающее напряжение подается непосредственно на токовводы, выполненные в виде двух штырей. Иногда концы штырей имеют цилиндрическое утолщение, позволяющее более надежно фиксировать лампочку в светильнике и обеспечить лучший контакт с контактами патрона. Чтобы извлечь лампочку из патрона такой конструкции, нужно ее провернуть на несколько градусов против часовой стрелки. Цилиндры выйдут из зацепления и лампочка освободится.

Лампочка накаливания «Ильича»

Лампы накаливания быстро вытесняются энергосберегающими и светодиодными источники света, так как их стоимость стала сравнима со стоимостью лампочек «Ильича».

Принцип действия лампочки прост, через вольфрамовую нить проходит электрический ток. Так как удельное сопротивление нити накала в сотни раз больше, чем токоподводящих проводников, то она разогревается до температуры более 2000° и излучает тепловую и световую энергию. К сожалению, на долю светового излучения приходится в лучшем случае 4% от потребляемой мощности. Точнее было бы называть лампочку нагревательным элементом, чем источником света. Низкий КПД и является главным недостатком лампочек «Ильича». Средний срок службы лампочки составляет 1000 часов.

В России по закону от 23.11.2009 N261-ФЗ (ред. от 23.04.2018) «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», с 1 января 2014 года запрещено использование ламп накаливания мощностью двадцать пять ватт и более для освещения в цепях переменного тока.

Конечно лампочка «Ильича», благодаря появлению светодиодных источников света, доживает свой век и в недалеком будущем станет историей. К основным недостаткам ламп накаливания относятся низкий КПД, значительное выделение тепла, что предъявляет дополнительные требования к термостойкости арматуры светильников, большая зависимость светового потока и срока службы от величины питающего напряжения (при превышении напряжения на 10%, срок службы уменьшается на 95%), хрупкость. Хотя спектр излучения ламп накаливания и отличается от солнечного, но человеческий глаз к такому свету адаптировался, так как желто-красной спектр излучения имеет свеча, огонь костра с которыми человек прожил тысячи лет.

Галогенная лампа накаливания

Галогенная лампа от лампы накаливания отличается тем, что имеет меньшие габаритные размеры, более высокий КПД и в несколько раз больший срок службы. Практически это та же лампочка «Ильича», но улучшена с учетом последних достижений науки и техники. Колба галогенной лампочки сделана из кварцевого стекла и заполнена под давлением парами галогенов брома или йода, благодаря чему срок службы галогенных лампочек доведен до 4000 часов, а температура накала спирали достигает 3000°К.

В галогенной лампочке вольфрамовая нить тоже при нагреве испаряется, но в отличие от простой лампочки накаливания, облачко из вольфрама благодаря вступлению в химическую реакцию с галогенами при высокой температуре, возвращается опять на нить накала. Благодаря такому процессу, появилась возможность изготавливать миниатюрные лампочки большой мощности, повысить КПД до 15% и увеличить срок эксплуатации до 4000 часов, а с применением ограничителей броска тока при включении галогенной лампочки (сопротивление нити накала в холодном состоянии в десять раз меньше, чем в нагретом) до 12000 часов.

Спектр излучения галогенных лампочек более естественный, чем простых лампочек накаливания и они являются идеальным искусственным источником света для выполнения работ, связанных с цветом, например для художников. Так как колба лампочки сделана из кварцевого стекла, то она при свечении излучает ультрафиолетовые лучи, что позволяет под ней даже загорать.

Галогенные лампы в автомобиле

Галогенным лампочкам для автомобильных фар Н4 в настоящее время нет альтернативы. Большая мощность, устойчивость к тряске и вибрации, естественность света, малые габариты, работа при любой температуре окружающей среды, большой срок службы, низкая цена – практически идеальная лампочка. Есть, конечно, и более совершенные лампочки для фары автомобиля – ксеноновые (в них нет нити накала, свет излучает разряд между двумя электродами в газе ксеноне), биксеноновые и светодиодные, но цена их довольно высокая.

Такие лампочки нельзя установить вместо штатных, а требуется замена всего блока фар. В дополнение оптику фар с ксеноновыми лампами требуется поддерживать в идеально чистом состоянии, при малейшем загрязнении свет начинает рассеиваться и ослеплять водителей встречного автотранспорта.

Читать еще:  Патрон для лампочки e27 с проводом

В одной колбе галогенной лампочки для фар автомобиля смонтировано сразу две нити накала. Такое решение позволило вместо двух отдельных ламп использовать одну.

Напряжение на нити накала подают по очереди, в зависимости необходимости включения ближнего или дальнего света фар. В такой лампочке один вывод для двух нитей накала общий и цоколь лампочки имеет только три вывода.

Рекомендации по эксплуатации галогенных ламп

Галогенные лампочки, рассчитанные на напряжение 220 В, подключаются непосредственно к электрической сети, а так как в бытовой сети случаются броски напряжения, то лампочки быстро перегорают. Поэтому советую применять галогенные лампочки на напряжение 12 В с понижающим трансформатором или пускорегулирующим устройством.

Для исключения преждевременного выхода из строя галогенной лампочки, недопустимо загрязнение колбы, так как она разогревается до температуры 250°С, а грязь ухудшает отвод тепла и лампочка перегревается. При установке галогенной лампочки в светильник не допускается прикосновение к колбе руками, так как на ней остаются потожировые следы, которые обгорая, нарушают равномерность нагрева колбы, в результате происходит напряжение стекла и колба может разрушиться. Если случайно прикоснулись, то грязь с колбы необходимо удалить растворителем или моющим средством и обязательно просушить, прежде чем подключать лампочку к питающей сети.

Как горит лампочка?

Почему «Ильича»?

Первоначально понятие «лампочка Ильича» было связано с электрификацией СССР, в частности в деревнях и сёлах. Существовала даже фраза: «Была коптилка да свеча — теперь лампа Ильича». Устойчивое выражение характеризовало перемены «электрического плана», а также пропагандировало советскую власть.

Первые «лампочки Ильича» представляли собой свободно свисающие лампы накаливания, подвешенные за патрон проводом к потолку. В наше время понятие продолжает относиться к лампе накаливания, но уже вне зависимости от наличия плафона при ней.

Почему «накаливания»?

Своё название лампочка получила в честь принципа действия. Сама лампа — это соединение колбы из стекла, металлического патрона и «пестика». Если внимательно взглянуть на саму лампу, то можно заметить некие рожки, соединённые между собой мостиком. Это и есть проводная нить. Она представляет собой либо металлическую спираль, чаще всего вольфрамовую, либо угольную нить. Электрический ток следует по проводнику, тем самым осуществляя физическую реакцию — тепловое действие тока.

Почему электричество даёт свет?

Вы когда-нибудь наблюдали за тем, как горит дерево? Сначала оно становится красным и даже ослепительно белым, от горящих поленьев исходит жар и свет. Подобная ситуация происходит и с проводником лампочки. Вольфрам, намного прочнее дерева, быстро не сгорает, а способен при накаливании нагреваться и долгое время выделять свет (разный по степени яркости в зависимости от мощности) и небольшое количество тепла.

Сила тока влияет на температуру накаливания. Чем ток сильнее, тем выше температура. В зависимости от этого нить может менять свой цвет от жёлтого до ярко-белого.

В целом, вольфрамовый»мостик» является проводником мощнейшей энергии. Как известно, энергия не появляется внезапно и также не исчезает в никуда. Она меняет своё состояние, преобразовывается, переходит в другой вид. Энергия, проходящая через вольфрамовую «пружинку», также преобразовывается. Одна её часть переходит в тепловые волны (и мы чувствуем тепло, исходящее от лампочки), другая часть — в электроволны (лампочка даёт свет).

А можем ли мы влиять на степень освещения? Из вышесказанного следует, что если мы повысим температуру накаливания, то и света будет больше. Однако нельзя не принимать во внимание материал, из которого изготовлен проводник. Если вольфрам начать слишком сильно нагревать, то проводник может «перегореть». Слишком сильный нагрев и является одной из причин «лопнувших» лампочек. Если посмотреть на перегоревшую лампочку, то можно увидеть и повреждённый проводник. В сгоревшем состоянии он представляет собой нить из двух частей с повиснувшими концами.

Почему лампочка такая хрупкая?

Когда мы несём лампочки из магазина домой, то двигаемся всегда аккуратно, следим за своей покупкой. Лампочки — это эквивалент яиц по хрупкости. Зачем же лампочки изготавливают такими «нежными» и бьющимися?

Первый ответ — самый очевидный — прозрачность. Стекло с лёгкостью пропускает свет сквозь себя, поэтому мы получаем максимальное количество освещенности, которое может подарить нам лампочка. Второй ответ скрывается в улучшенных условиях для проводника. Для того чтобы вольфрамовой пружинке сильнее раскалиться, нужно сократить количество воздуха вокруг неё. Именно поэтому проводник помещают в стеклянную «грушу», заранее откачав оттуда воздух.

Вот так обычная лампочка, по сути являясь проводником мощной энергии, несёт в наши дома свет. И теперь мы знаем о лампочках чуть больше, нежели, например, говорится в детской загадке: «Провели под потолок удивительный шнурок. Привинтили пузырёк — загорелся огонёк».

Лампы накаливания выходят из моды

Лампа накаливания использует вторичный принцип производства света. Достигает высокой температуры нить. КПД устройств мал, большая часть энергии расходуется впустую. Современные нормы диктуют стране беречь энергию. В моде разрядные, светодиодные лампочки. Навсегда остались в памяти Гемфри Дэви, де ла Ру, де ла Рив, Эдисон, приложившие руку, потрудившиеся вырвать человечество из тьмы.

Обратите внимание, Чарльз Гаспар де ла Рив скончался в 1834 году. Следующей осенью прошла первая публичная демонстрация… Некто нашел записи погибшего исследователя? Вопрос разрешит время, ибо все тайное откроется. Читатели обратили внимание: неизвестная сила подталкивала Дэви попробовать использовать защитную колбу, помогая шахтерам. Сердце ученого оказалось чересчур большим увидеть явный намек. Нужной информацией англичанин обладал…

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector