§ 61. 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 тплоты, 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 (56.1) 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

Таблица 4. Максимальная допустимая нагрузка обмотки в электронагревательных приборах и реостатах

Материал	Диаметр, мм	Сопротивление единицы длины, Ом/м	Максимальная допустимая нагрузка, А
Нихром (электро­	0,3	15	2
нагревательные приборы)	0,5	5,5	4,5
Никелин (реостаты)	0,2	13,0	1,5
	0,6	1,41	6,0
	1,0	0,51	10,0
	1,5	0,23	23,0

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 никелина в реостатах.Предельная нагрузка в реостатах, указанная на приборе, определяется допустимой температу­рой, выше которой возникает пожарная опасность.

?61.1. У электрической печки, потреблявшей 0,5 кВт при напря­жении 220 В, требуется сменить перегоревшую обмотку. Пользу­ясь табл. 4, определите, какую длину нихромовой проволоки сле­дует взять для этого, если диаметр проволоки равен 0,5 мм.

§ 62. 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.

Рис. 97. Лампа накаливания Лоды- Рис. 98. Современная лампа на­гана: 1 и 2 — вводы, 3 — уголь- наливания: 1 — вольфрамовая ный стерженек нить, 2 — металлические вводы,

3 — стеклянная ножка, 4 — труб­ка для откачки воздуха из бал­лона лампы, 5 — гильза цоколя лампы, 6 — контакт

ч,

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 экономич-

ны: они потребляли около 6 Вт на каждую канделу ¹) 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.

§ 63. Короткое замыкание. Плавкие предохранители. Сила тока в каком-либо участке цепи определяется по закону Ома сопротивлением участка и напряжением между его концами. При заданном напряжении она тем меньше, чем,

больше сопротивление данного участка. Так, например, сопротивление обычных лампочек накаливания сравни­тельно велико (сотни ом), и поэтому сила тока в них полу­чается малой (несколько десятых долей ампера).

Если соединить провода помимо лампочки, то получится участок с очень малым сопротивлением и ток может сде­латься весьма большим. Говорят, что в этом случае имеет место короткое замыкание. Коротким замыканием называют вообще всякое замыкание источника тока на очень малое сопротивление. Развивающиеся при коротком замыкании большие токи чрезвычайно опасны из-за раскаливания проводов, а также крайне вредны для источника тока.

Риз. 99. При коротком замыкании медным стержнем 1 плавкий пре­дохранитель 2 расплавляется и размыкает цепь

Рио. 100. «Пробочный» предохранитель: 1 — фарфоровая «пробка», 2 — легкоплавкая проволока, 3 — патрон предохранителя

Для предохранения проводов от короткого замыкания служат плавкие предохранители. Это — тонкие медные проволочки, или, еще лучше, проволочки из легкоплавкого металла (например, свинца), вводимые последовательно в цепь тока и рассчитанные таким образом, чтобы они пла­

вились при силе тока, превышающей то значение, на кото­рое данная цепь рассчитана. На рис. 99 показано действие предохранителей. При замыкании проводов электрической лампочки куском толстой медной проволоки 1 (короткое за­мыкание) предохранитель 2 мгновенно плавится и цепь раз­мыкается.

Устройство наиболее употребительного «пробочного» предохранителя показано на рис. 100. Его название проис­ходит от фарфоровой «пробки» 1, внутри которой помещает­ся легкоплавкая проволока 2. Пробка, подобно цоколю лам­почки, ввинчивается в патрон предохранителя 3 и после

Рис. 101. Штепсельная розетка с- предохранителем: а) вид сверху рас­крытой штепсельной розетки; б) вид со стороны стены; в) крышка; 1 — гнезда для вилки, 2 — плавкий предохранитель, 3 — отверстия для шурупов, прикрепляющих штепсельную розетку к стене, 4—при­способление для закрепления крышки

каждого короткого замыкания заменяется новой. Обычно предохранители или группы предохранителей ставятся при вводе тока в дома и, кроме того, при вводе в каждую квар­тиру; нередко предохранителями снабжены и отдельные штепсели. Устройство штепсельного предохранителя по­

казано на рис. 101. Предохранитель отдельного штепселя должен плавиться при токе 3—5 А, предохранитель в квар­тире—при токе 15—20 А, а предохранитель в доме — при значительно больших токах, в несколько сот ампер.