Электронагревательные приборы, лампа накаливания, короткое замыкание, плавкие предохранители

Ключевые слова: электронагревательные приборы, лампа накаливания, короткое замыкание, предохранители.

На этом уроке вы:

• узнаете, как работают электронагревательные приборы, причины возникновения и способы предотвращения короткого замыкания.

Как вы думаете, как и где можно использовать тот факт, что электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его?

Электронагревательные приборы. Современный мир невозможно представить без электронагревательных приборов, осветительных ламп, в основе работы которых лежит тепловое действие тока.

В домашних условиях широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники. В промышленности тепловое действие тока используют для выплавки специальных сортов стали и многих других металлов, для электросварки. В сельском хозяйстве с помощью электрического тока обогревают теплицы, кормозапарники, инкубаторы, сушат зерно, готовят силос.

Основная часть всякого нагревательного электрического прибора — нагревательный элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (1000—1200 °C). Чаще всего для изготовления нагревательного элемента применяют нихром (его удельное сопротивление $\rho = 1{,}1$ мкОм·м) или вольфрам (его удельное сопротивление $\rho = 55$ нОм·м). Большое удельное сопротивление нихрома и вольфрама дает возможность изготавливать из них весьма удобные, малые по размерам, нагревательные элементы.

В нагревательном элементе проводник в виде проволоки или ленты наматывается на пластинку из жаростойкого материала: слюды, керамики. Так, например, нагревательным элементом в электрическом утюге служит нихромовая лента, от которой нагревается нижняя часть утюга (рис. 29.1).

Рис. 29.1. Устройство утюга: ручка регулятора термостата, водяное сопло, резервуар для воды, подошва с каналами для выхода пара, нагревательный элемент (ТЭН)

Работа электрической лампы накаливания тоже основана на тепловом действии тока. Основная часть современной лампы накаливания (рис. 29.2) — спираль из тонкой вольфрамовой проволоки (рис. 29.3). Вольфрам — тугоплавкий металл, его температура плавления 3387 °C. В лампе накаливания вольфрамовая спираль нагревается до 3000 °C, при такой температуре она достигает «белого каления» и светится ярким светом. Спираль помещают в стеклянную колбу, из которой выкачивают насосом воздух, чтобы спираль не перегорала. Но в вакууме вольфрам быстро испаряется, спираль становится тоньше и тоже сравнительно быстро перегорает. Чтобы предотвратить быстрое испарение вольфрама, современные лампы наполняют азотом, иногда криптоном или аргоном. Молекулы газа препятствуют выходу частиц вольфрама из нити, т. е. разрушению накаленной нити.

Рис. 29.2. Лампа накаливания: нить накаливания, стеклянный баллон, электроды, цоколь, изоляция, контакты сети

Рис. 29.3

В настоящее время лампы накаливания постепенно вытесняются энергосберегающими лампами, лампами дневного света и светодиодными лампами (рис. 29.4).

Рис. 29.4

Как работает светодиодная лампа, можно выяснить с помощью рисунка 29.5. В этой лампе есть полупроводниковый кристалл, который излучает свет при пропускании через него тока. Цвет света зависит от материала вещества кристалла.

Рис. 29.5

Энергосберегающие лампы работают несколько иначе. Устройство практически всех энергосберегающих ламп одинаковое. В состав лампы входит несколько деталей.

Запомните! Помните, что пары ртути опасны для организма человека, поэтому, если энергосберегающая лампа разбилась, очень важно правильно утилизировать осколки и обработать место.

Это интересно! Газоразрядная трубка — это видимая часть лампы, излучающая свет. Газоразрядная трубка соединяется с корпусом. В корпусе находится внутренняя часть лампы, представляющая собой электронную схему пуска и питания. Данная электрическая схема позволит лампе зажечься. Рассмотрим, что происходит в лампе во время работы. Трубка, запаянная с двух сторон, называется колбой энергосберегающей лампы. Электроды находятся на противоположных концах этой колбы. Электрический сосуд лампы имеет форму изогнутой колбы, покрытый слоями люминофора. Эта колба содержит инертный газ и небольшое количество ртутных паров. Причиной свечения лампочки при подключении к ней питания является превращение нейтральных атомов паров ртути в ионы в связи с потерей ими электронов. Этот процесс называется ионизацией.

Вы никогда не задумывались над тем, почему в энергосберегающей лампе колба имеет причудливо изогнутую форму? Сделано это для уменьшения длины всей лампы. Изогнутая форма колбы позволяет это сделать. За счет спиральной намотки длину самой газоразрядной трубки можно увеличить, при этом длина лампы при такой форме будет уменьшена. Если бы этого не делали, то лампа не поместилась бы в люстру.

Короткое замыкание. Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током или при случайном соприкосновении оголенных проводов. При этом сопротивление цепи резко уменьшается, поэтому в цепи возникает большая сила тока, из-за чего провода при этом могут сильно накалиться и загореться. Кроме этого, уменьшение сопротивления цепи может возникнуть при включении параллельно дополнительных потребителей. Избежать этой опасности помогают предохранители.

Предохранитель. Предохранитель — это устройство для предотвращения недопустимого и опасного действия установки, машины, аппарата, прибора, оружия и пр. в результате нарушения нормальных условий и режимов их работы, аварий и др. Наиболее распространены плавкие предохранители для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания.

Предохранитель плавкий — это устройство для защиты электрических установок от токов коротких замыканий и перегрузок (рис. 29.6). Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по какой-либо причине сила тока в цепи превышает допустимое значение, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция — воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть одновременное включение мощных потребителей тока, например, электрических плиток. Основной частью плавкого предохранителя является плавкая вставка. Плавкая вставка — это проволока из легкоплавкого металла (например, свинца), находящаяся внутри фарфорового цилиндра. Как только сила тока в цепи превысит допустимое значение, так свинец расплавится и цепь разорвется.

Рис. 29.6. Плавкие предохранители

Это интересно! Тепловой расцепитель (рис. 29.7) представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие защелку пружины, отводящую подвижный контакт, разрывая тем самым электрическую цепь. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический предохранитель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Очень ходовым устройством в сфере электрики является электрический автомат (рис. 29.8). Его значение трудно переоценить. Общий смысл данного электротехнического устройства прост — включение и выключение питания, а при чрезмерном значении силы тока его роль сводится к своевременному срабатыванию и отключению того или иного устройства, в цепи которого он стоит. Проще говоря, это одно устройство, имеющее две функции — выключателя и защиты от больших токов. С его появлением уже нет необходимости повсеместного применения плавких защитных предохранителей. Ведь раньше основную защиту по току выполняли именно предохранители. Электрические автоматы намного удобней в использовании. Если сгоревший предохранитель необходимо заменить, то автомат можно завести простым движением рычажка вверх.

Рис. 29.7 — тепловой расцепитель; рис. 29.8 — электрические автоматы

Достоинством плавких предохранителей является простота и дешевизна; недостатком — необходимость замены плавких вставок, что особенно затрудняется в установках высокого напряжения, кроме того, плавкие предохранители защищают электрические машины только от токов коротких замыканий.

Еще есть предохранители, действие которых основано не на плавлении, а на тепловом расширении тел при нагревании. Предохранители располагают на специальном щитке, устанавливаемом у самого ввода проводов в квартиру, называемом счетчиком. В каждый из проводов последовательно включают отдельный предохранитель.

Вопросы

1. Как работают электронагревательные приборы?
2. В чем заключается принцип действия электрического утюга?
3. Опишите устройство и принцип действия лампы накаливания.
4. Назовите преимущества светодиодных и энергосберегающих ламп.
5. Когда наблюдается короткое замыкание?
6. Для чего нужны предохранители?
7. Каков принцип действия плавкого предохранителя?
8. Как работает тепловой расцепитель?
9. На чем основан принцип работы электрического автомата?
10. В чем недостаток плавкого предохранителя?
11. Каковы преимущества электрического автомата?