Landsberg-1985-T2

иие 110 В. включив их последоваТeJIЫЮ. Можно ли сделать это.

если: а) гирлянды одинаковы; б) одна гирлянда составлена из

6.вольтовых, а другая из 8.вольтовых лампочек одинаковой мощ· ности; в) гирлянды составлены из 6· и 8.вольтовых лампочек раз. личной мощности, подобранных так, чтобы общая мощность, по·

58.10. Молния - это электрический ток, проходящий в течение примерно 0,001 с между двумя облаками или облаком и Землей. Разность ПQтенциалов на концах этих тел достигает миллиарда

во.%т, а сила тока в среднем равна 20 кА. Подсчитайте, во что обошлась бы одна молния по цене 4 коп. аа 1 кВт· ч. учиты(ая,. что в среднем на поверхность Земли падает 100 молний в секунду,

подсчитайте общий запас энергии, идущий на возникновение мол· ний за год.

58.11. Во сколько раз повышенне температуры при щ)охождении

электрического тока по железным ПРОl!одам больше, чем по мед· ным того же сечения, если через них проходит ток одинаковой си·

лы? Рассмотрите случай, когда провода хорошо изолированы, так

что теплоотдачей их можно пренебречь, а ток сравнительно неве·

лик и проходит в течение короткого времени, так что оба провода

нагреваются слабо и их температурными коэффициентами сопро.

тивления и теплоемкостями также можно пренебречь. Удельные

теплоемкости меди и железа равны 0,40 и 0,46 кДж/(кг·К), их

плотности равны 8,9.103 и 7,9·103 кг/м3• Воспользуйтесь также табл. 2 (§ 47).

§ 59. Контактная сварка, Тепловое действие тока играет большую роль в современной технике. Рассмотрим некоторые

важные примеры его применения.

Если . сопротивление какого-либо участка цепи значи­

тельно больше сопротивления всех остальных участков, то здесь выделяется практически все джоулево тепло. Такой случай осуществляется в лампочках накаливания и в нагре­ вательных приборах, сопротивление которых значительно

больше, чем сопротивление подводящих проводов. Таким

же распределением сопротивлений пользуются при так на-

озываемой контак:гной электросварке, применяемой ДЛЯ металлов со значительным удельным сопротивлением (ни·,

134

кель, тантал, молибден и др.). Схема та'кой сварки изобра­

жена на рис. 93. В этом случае все сопротивление участка

практически сосредоточено в меСте контакта свариваемых

деталей: во-первых, материал этих деталей имеет большое

удельное сопротивление, и, во-вторых, место соприкоснове­

ния (контакт) представляет большое сопротивление, ибо

касание всегда происходит в относительно небольших

участках (отдельных точках) поверхности. При больших токах (сотни и тысячи ампер) детали раскаляются добела

и свариваются, в то время как медные электроды почти не

нагреваются.

?59.1. Можно ли при помощи контактной сварки сварить медные

•или серебряные детали?

§60. Электрические нагревательные приборы. Электрические

печи. На рис. 94 изображена электрическая плитка, широ­ ко употребляющаяся в домашнем обиходе. Плитка состоит

из огнеупорной керамической пластины с каналом, в кото­ рый помещена нагревающая спираль. Последняя делается

1!! 1/ IJ IJ J/ J! // .!(!/ !! r

1

Рис. 94. Электрическая плитка Рис. 95. Лабораторная трубчатая

платиновая печь для получення

темпеlfатуры до 1300 ос (в разрезе)

из материала с большим удельным сопротивлением и высо­

кой температурой плавления, обычно из нихрома или фех­ раля *). KoHu,ы спирали подведены к штепсельным контак­

там, которые при помощи шнура включают в осветительную

цепь.

Для создания ВЫСОКИХ температур служат электрические

печи. На рис. 95 показано устройство лабораТОРtIой труб- . чатой платиновой печи. Фарфоровая трубка 1 обм<?тана пла-

..) Нихром - сплав никеля и хрома. Фехраль"":' сплав железа, хрома и алюминия, или хромоникелевая сталь. Эти сплавы отличаются

тем, что их удельное сопротивление велико и почти не зависит от тем.

пературы. Кроме ТОГО, эти сплавы MaJlO окисляются при высоких тем·

пературах.

135

типовой проволокой или лен'1'ОЙ 2; проволока покрыта CJlоек~

огнеупорной массы 3 (камин с каким-либо связующим ве­

ществом) и укреплена внутри широкого металлическог~

кожуха 4. Все пространство между кожухом и фарфороВ9И

более тугоплавкие металлы (например, молибден). в ле~ах

такого типа удается повысить температуру до 2500~ С.

60.1. Сопротивление обмотки электрического чайника, рассчи·

?танного на 220 В, равно 90 Ом. Сколько времени потребуется для нагревания в нем 500 г воды от 10 до 1000 С, если половина всей

теплоты уходит вследствие теплопередачи в окружающее прост­

раяство?

60.2.Электрический утюг, рассчитанный на напряжение 220 В, потребляет ток 2 А. Во сколько обходится час работы утюга по

цене 4 коп. за 1 кВт,ч?

60.3.Сопротивление элеКТР!lческого утюга, работающего от ос­ ветительной сети с напряжением 220 В, равно 120 Ом. Какое коли­

чество теплоты выделяется в утюге за 1 с?

60.4. ПЛитку мощности 800 Вт, рассчитанную на напряжение 220 В, включают в сеть с напряжением 110 В. Какую мощность плитка будет поглощать при этом из сети? Будет ли она погло· щать нормальную мощность (800 Вт), если разделить ее спираль

на две равные части и включить ИХ В сеть параллельно, как пока.

вано на рис. 96? Какую мощность будет потреблять эта плитка, если разделить спираль на такие части, чтобы сопротивление

одной из них, скажем аЬ, составляло треть общего сопротивления

.всеЙ спирали М?

60.5.Вычислите мощность, расходуемую в вашей квартире,

когда включены все электрические лампочки и электрические

приборы, н израсходованную электрическую энергию, если &ТИ приборы оставались, ВКJ1IOченными в течение трех часов.

§ 61. Понятие о расчете нагревательиых приборов. Для нормальиой работы любого электронагревательного прнбора его обмотка должна

быть правилыtо рассчитана.

Рассмотрим, чем определяется температура, которую принимает проволока под действием тока. Выделяющееся джоулево тепло не оста­

~ТСЯ внутря проволоки, а уходит вследствие те,nлопередачи (теплоп.QО­

водности, конвекции и излучения) "ерез поверхность проволоки. Ко­

личество теплоты, ушедшее вследствие теплопередачи, тем больше, чем

больше разность температур проволоки и окружающей среды и чем луч­ ше отводят тепло окружающая среда. Поэтому после включения тока

,температура проволоки постепенно повышается, пока через некоторое

136

достаточно долгое время не сделается постоянной, а именно такоА, что

количество тплоты, выделяющееся в проволоке, в точности равно коли­

честву теплоты, уходящему вследствие теплопередачи. Чем хуже про­

водит тепло окружающая среда, тем в~ше &та окончательная темпера~

тура, и, наоборот, чем лучше среда проводит тепло и чем лучше идет ох­ лаждение,тем более низкую температуру принимает проволока под действием данного тока. Мы видим, что температура nРОООАОКU при дaFIНОМ токе тем 8Ыше, чем лучше ее тепловая изоляция. Поэтому стара­

ются как можно лучше изолировать иагревательный прибор со всех

сторон, кроме той, где должна быть использована высокая температура

нагревательного элемента.

Чем меньше диаметр проволоки, тем больше сопротивление едини-

- цы 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 про­

волоки при даНIiОМ 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 предель­

НЫЙ ток, выше которого проволока начинает быстро разрушаться. Из

сказанного следует, что этот ток (<<максимальная нагрузка») зависит так­

же и от тепловой изоляции и сила его значительно больше для ПР<JВОЛОКИ, находящейся в воздухе и, следовате.%но, хорошо охлаждающейся бла­ годаря конвекции, чем для проволоки, заключенной, например, Ii ас-

. бест. В табл. 4 приведены некоторые числовые данные, дающие макси­

мальную допустимую нагрузку Д.1Я нихрома В обычных электронагрева­

тельных приборах и для никелина в реОСТатах.Предельная нагрузка в

реостатах, указанная на приборе, определяется допустимой температу­ рой, вьiше которой возrшкает пожарная опасность.

? 61.1. У электрической печки, потреблявшей 0,5 кВт при напря­ жении 220 В, требуется сменить перегоревшую обмотку. Пользу­

ясь табл. 4, определите, какую длину нихромовой проволоки еле·

дует взять для этого, если диаметр проволоки равен 0,5 мм.

131

§ 62. Лампы нака.ливания. Самым важным примен·ением

нагревательного действия тока является электрическое ос­

вещение. Электрическое освещение было изобретено в

1872 г. русским электротехником и изобретателем Алек­ сандром Николаевичем Лодыгиным (1847-1923). Он укре­

пил между толстыми медными проволоками угольный стер­

женек 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 накали­

вания, заменив угольный стерженек обугленной бамбуковой

нитью и улучшив технику откачки.

2

2

(!

....

в 1890 г. Лодыгиным была изобретена лампа накалива­ ния с металлической (вольфрамовой) нитью.

. Чем выше температура нити, тем большая часть излу­

чаемой ею энергии отдается в виде света. Однако в первых лампах накаливания температура нити не могла быть выше 1500-1600 ОС, и поэтому лампы накаливания хотя и пред­

ставляли огромный шаг вперед по сравнению с прежними

керосиновыми и другими лампами, но были мало экономич-

--'

138

ны: 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 плав­

ления 33700 С) очень высока, и современные лампы накали­

вания имеют вольфрамовые нити.

В 1913 г. американский физик и химик Ирвин Ленгмюр (1881-1957) предЛОЖИЛ наполнять баллоны ламп инерт­ ным газом (аргоном), присутствие которого замедляет ис­ парение нити. Кроме того, Ленгмюр предЛОЖИЛ свертывать

нить в виде спирали, благодаря чему значительно умень­

шается отдача теплоты при соприкосновении с газом, напОЛ­

няющим баллон, и, следовательно, повышается температура нити. Применение вольфрамовых спиралей и инертных га­ зов позволило повысить температуру накала до 2400 ос и этим снизить расход энергии в мощных лампах до 0,6 Вт

каливания. Она содержит спиральную вольфрамовую нить

1, приклепанную к концам металлических вводов 2. ,Вводы

впаяны в стеклянную ножку лампы 3, внутри которой про­

ходят 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 цоко­

лем, укрепленным на баллоне. Цоколь состоит из металли­ ческой гильзы 5, имеющей винтовой желоб, и изолирован­ ного от нее контакта 6, к которым припаиваются провода от нити накала. Включение в цепь осуществляется вверты­ ванием цоколя лампы в специальный. патрон. При вверты­

вании ЦОКОЛЯ до соприкосновения его вывода со штифтом

патрона концы спирали нака,,1<! оказываются соединенными

спроводами 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.

"') Кандела - единица силы света - одна из ОСНОВНЫХ единиц си. (Прu.меч. ред.)

139

больше сопротивление данного учасшз. Так, например,

сопротивление обычных лампочек накаливания сравни­ тельно велико (сотни ом), и поэтому сила тока в них полу­ чается малой (несколько десятых долей ампера).

Если соединить провода помимо лампочки, то получится

участок а очень малым сопротивлением и ток может сде­

_латься весьма большим. Говорят, что в этом случае имеет

место короткое замыкание. Коротким замыканием называют

вообще всякое замыкание исtочника тока на очень малое

сопротивление. РазвиваlOщиеся при коротком замыкании

большие токи чрезвычайно опасны из-за раскаливания

ПРОВОДов, а также крайне вредны для источника тока.

РИG. 99. При коротком замыкании медным стеРЖIlем 1 плавкий пре­

дохранитель 2 расп.чаlЗлпется и размыкает цепь

Для предохранения проводов от короткого заМыкания служат I:IЛавкие 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-

140

вились при силе тока, превышающей то знаЧение, на кото­

рое данная цепь рассчитана. На рис. 99 показано действие

цредохранителеЙ. При замыкании проводов электрической

лампочки куском толстой медной проволоки 1 (короткое за­

мыкание) предохранитель 2 мгновенно плавится и цепь раз­

мыкается.

Устройство наиболее употребительного «пробочного» предохранителя показано на рис. 100. Его название проис­

ходит от фарфоровой «прОбки» 1, внутри которой помещает­

~я легкоплавкая проволока 2. Пробка,подобно цоколю лам­ riочки, ввинчивается в патрон предохранителя 3 и после

.о)

1

[j)

Рис. 101. Штепсельная розетка с- предохранителем: а} вид сверху рас­

крытой штепсельной розеткн; 6) вид со стороны стены; в) крышка; 1 - гнезда для вилки, 2 - плавкий предохр~нитель, 3 - отверстия для шурупов, прикрепляющих штепсельную розетку к стене, 4-при·

способление 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 квар­

тиру; нередко предохранителями снабжены и отдельные штепсели. Устройство штепсельного предохранителя по-

141

казано на рис. 101. Предохранитель отдельного штепселя

должен плавитьСЯ при токе 3-5 А, предохранитеЛь в квар­

тире-при TOI{e 15-20 А, а предохранитель в доме - при

значительно больших токах, в несколько сот ампер.

§ 64. Электрическая проводка. На рис. 102 показано устрой­ ство комнатнОЙ электрической проводки. Ток со станции

щие электрическую проводку

или переделывающие ее. ЭТИ правила определяют сечение и

тип проводов, которые должны применяться в различных

случаях, расположение изолирующих роликов, на которых

-/- ~ -0- Ф

(1). о) В) 8)

Рис. 103. Условные обозначения на электрических схемах: а) выклю­

чатель простой; б) штепсельная розетка; в) лампа; г) плавкий предо­

кранитель; д) соединение и ответвление проводов; е) резистор и пьтенЦИО­

метр; :ж:) 'гальванометр, амперметр, вольтметр, ваттметр; В) батарея

аккумуляторов или гальванических элементов постоянного тока;

и) источник постоянного тока'

142