§ 48. Лампа освещения. Электрические нагревательные приборы

электрический источник света, в котором видимое оптическое излучение создается телом накала (тугоплавкой вольфрамовой спиралью), нагреваемым электрическим током до температуры около $2500$–$3000^\circ\text{C}$:

• 1. Исторический вклад отечественных ученых — в 1876 г. П. Н. Яблочков создал первую дуговую лампу без регулятора («электрическая свеча Яблочкова», прозванная «русским светом»); в 1873 г. А. Н. Лодыгин изобрел первую угольную лампу накаливания и осветил улицы Санкт-Петербурга. Позже Томас Эдисон создал винтовой цоколь и патрон.
• 2. Конструкция современной лампы (рис. 110) — тонкая спираль (биспираль) из вольфрама ($T_{\text{пл}} = 3387^\circ\text{C}$), закрепленная на молибденовых усиках-держателях в стеклянной колбе, откачанной или заполненной инертным газом (аргон, криптон, азот) для снижения испарения вольфрама; стеклянный штатив; контактные проводники; металлический резьбовой цоколь с изолированным центральным контактом.

направленное движение свободных электрических зарядов (положительных и отрицательных ионов, а также свободных электронов) в газовой среде под действием внешнего электрического поля:

• 1. Носители заряда в газах — в отличие от металлов, где ток создается только электронами, в газах проводимость комбинированная — электронно-ионная.
• 2. Условия протекания — возникает только при наличии внешнего ионизатора или при высоком напряжении, вызывающем ударную ионизацию газа ускоренными электронами.

физический процесс распада нейтральных атомов и молекул газа на свободные электроны и положительные ионы:

• 1. Ионизирующие факторы — высокая температура пламени, ультрафиолетовые, рентгеновские или радиоактивные лучи, а также сильное электрическое поле.
• 2. Рекомбинация — обратный процесс воссоединения электронов и ионов в нейтральные атомы при ослаблении внешнего ионизирующего воздействия.

источник света, использующий явление свечения люминофора под действием ультрафиолетового излучения газового разряда:

• 1. Принцип работы — электрический разряд в разреженных парах ртути и аргона порождает ультрафиолетовое излучение, поглощаемое люминофором на стенках колбы.
• 2. Энергетическая эффективность — световая отдача в 4–5 раз выше, а нагрев в разы ниже по сравнению с традиционной лампой накаливания.

устройство (утюг, чайник, электроплита, обогреватель), в котором тепловое действие электрического тока используется для полезного нагрева:

• 1. Нагревательный элемент — спираль или лента из тугоплавкого сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, фехраль), изолированная термостойким диэлектриком (керамика, слюда, спрессованный оксид магния).
• 2. Требования к материалу — высокая температура плавления, химическая стойкость к окислению на воздухе при раскаливании и высокое удельное электрическое сопротивление.

Выдающийся русский электротехник, военный инженер и изобретатель, создатель первой практически применимой дуговой электрической лампы («свечи Яблочкова»), положившей начало эпохе уличного электроосвещения.

• В 1876 году сконструировал дуговую угольную лампу без механического регулятора («электрическую свечу»), состоявшую из двух параллельных угольных стержней, разделённых изолирующей прослойкой.
• Продемонстрировал своё изобретение на выставке в Лондоне, после чего «русский свет» получил всемирный триумф, впервые осветив улицы, площади и магазины Парижа, Лондона и других столиц Европы.
• Для обеспечения равномерного сгорания угольных стержней применил питание свечей переменным током и разработал индукционные катушки (трансформаторы) для раздельного питания ламп.

Выдающийся русский электротехник и изобретатель, создатель первой в мире практически применимой лампы накаливания с угольным стержнем в герметичном баллоне.

• В 1872–1873 годах создал лампу накаливания, в которой источником света служил тонкий раскалённый угольный стержень, помещённый в стеклянный баллон с разреженным воздухом.
• Осенью 1873 года впервые в мире осуществил публичное уличное освещение лампами накаливания на Одесской улице в Санкт-Петербурге, заменив керосиновые фонари электрическими.
• В 1890-х годах первым предложил и запатентовал лампы с телом накала из тугоплавких металлов — вольфрама и молибдена, заложив основу конструкции современных ламп освещения.

Всемирно известный американский изобретатель и предприниматель, создатель долговечной промышленной лампы накаливания и комплексной системы массового коммерческого электроосвещения.

• Усовершенствовал лампу накаливания Лодыгина, применив тонкую обугленную бамбуковую нить и глубокий вакуум, что довело непрерывное время свечения лампы до сотен часов.
• Изобрёл комплексную электротехническую арматуру для безопасного освещения: резьбовой цоколь лампы (патрон Эдисона), поворотный выключатель, плавкие предохранители и штепсельную вилку.
• Построил в Нью-Йорке первую в мире центральную электростанцию постоянного тока и организовал промышленное производство надёжных ламп для освещения жилых домов, фабрик и заводских цехов.

Устройство лампы накаливания (по рис. 110 учебника):

• Спираль (тело накала) — тонкая одиночная спираль или биспираль, изготовленная из тугоплавкого металла вольфрама (температура плавления $3387^\circ\text{C}$).
• Стеклянный баллон (колба) — защитная герметичная оболочка, из которой удален воздух или которая заполнена инертным газом (азотом, аргоном, криптоном) под давлением, чтобы предотвратить быстрое окисление и испарение вольфрама при рабочей температуре свыше $2500^\circ\text{C}$.
• Поддерживающие электроды и крючки — тонкие молибденовые усики и медные токовводы, впаянные в стеклянную ножку (штатив), которые механически удерживают вольфрамовую спираль и подводят к ней ток.
• Металлический цоколь с винтовой нарезкой — обеспечивает надежное вкручивание лампы в патрон. Один токоввод припаян к металлической гильзе цоколя.
• Изолирующее донышко и центральный контакт — нижний контакт отделен от цоколя кольцом из термостойкого диэлектрика (стекла/керамики); к нему припаян второй токоввод от спирали.

Ионизация газа — это физический процесс расщепления нейтральных атомов или молекул газа на свободные электроны и положительно заряженные ионы.

В обычных условиях газы являются отличными диэлектриками, так как состоят из нейтральных частиц. Ионизация происходит под воздействием внешних ионизаторов: высокой температуры (нагревания пламенем), рентгеновского, ультрафиолетового или радиоактивного излучения, а также вследствие ударной ионизации, когда разогнанные сильным электрическим полем электроны разбивают встречные нейтральные молекулы при столкновении.

Электрический ток в газах (называемый газовым разрядом) представляет собой направленное упорядоченное встречное движение свободных заряженных частиц: положительных ионов к катоду (отрицательному электроду) и отрицательных ионов вместе со свободными электронами к аноду (положительному электроду) под действием сил внешнего электрического поля.

Устройство энергосберегающей лампы (по рис. 112 учебника):

• Стеклянная колба — закрученная в компактную спираль или U-образные трубки герметичная колба, внутренняя поверхность которой покрыта ровным слоем люминофора — специального кристаллического порошка. Внутри колбы находятся разреженные пары ртути и инертный газ (аргон).
• Электроды — вольфрамовые спирали на концах трубки, испускающие электроны при протекании тока.
• Электронное пускорегулирующее устройство (ЭПРА) — миниатюрная электронная плата, встроенная в основание лампы над цоколем. Она преобразует сетевое напряжение, обеспечивает высоковольтный импульс для зажигания газового разряда и стабильно поддерживает ток высокой частоты.
• Винтовой цоколь — стандартный резьбовой цоколь для включения лампы в обычный патрон.
• Принцип свечения: электрический разряд в парах ртути излучает невидимый ультрафиолет, который поглощается люминофором и заставляет его ярко люминесцировать приятным видимым светом.

Тепловое действие тока находит широчайшее применение в промышленности, сельском хозяйстве и быту:

• 1. Бытовые электронагревательные приборы: электрические чайники, утюги, тостеры, электроплиты, духовки, проточные и накопительные водонагреватели (бойлеры), фены для волос, радиаторы и обогреватели помещений.
• 2. Промышленная металлургия и машиностроение: электрические дуговые и индукционные печи для выплавки и рафинирования сверхчистых сортов стали и тугоплавких металлов; электроконтактная и электродуговая сварка металлических конструкций; термическая закалка деталей токами высокой частоты.
• 3. Медицина: электрокоагуляторы для мгновенного прижигания и остановки кровотечений при хирургических операциях; прогревающие физиотерапевтические аппараты.
• 4. Сельское хозяйство: электрические инкубаторы для птицеводства, обогрев теплиц и парников в зимний период.

Металл или сплав, предназначенный для изготовления нагревательных спиралей электроплит, должен отвечать комплексу строгих физико-технических требований:

• Высокое удельное электрическое сопротивление ($\rho$) — позволяет при относительно небольшой длине и достаточном сечении проволоки получить требуемое рабочее сопротивление нагревателя ($Q = I^2 R t$).
• Высокая температура плавления (тугоплавкость) — спираль должна надежно выдерживать длительный нагрев до рабочей температуры $800$–$1000^\circ\text{C}$ без размягчения, деформации и расплавления.
• Высокая жаростойкость (устойчивость к высокотемпературному окислению) — при раскаливании на воздухе металл не должен интенсивно реагировать с кислородом и быстро сгорать (образовывать ломкую окалину). Этим требованиям идеально соответствуют специальные сплавы нихром (сплав никеля, хрома и железа) и фехраль (сплав железа, хрома и алюминия).

Объяснение:

• В нормальных условиях воздух вокруг электроскопа состоит из нейтральных молекул газов (азота, кислорода), которые не проводят электрический ток, поэтому заряд с электроскопа не стекает.
• Пламя горящей спички имеет высокую температуру, при которой кинетическая энергия молекул воздуха резко возрастает. Происходит термическая ионизация воздуха — нейтральные молекулы распадаются на положительные ионы и свободные электроны.
• Воздух вблизи шара электроскопа становится проводящим (ионизированным). Под действием электрического поля заряженного электроскопа ионы противоположного знака устремляются к шару и нейтрализуют его электрический заряд. Заряд электроскопа исчезает, и его листочки опадают под действием силы тяжести.

Ответ: Это действие было крайне ошибочным, опасным и смертоносным.

• Физическое обоснование: громоотвод (молниеотвод) защищает здание только потому, что металлический стержень надёжно соединён толстым проводником с массивным заземлителем, закопанным глубоко во влажную землю. По этому пути огромный ток молнии (десятки тысяч ампер) безопасно уходит в недра Земли.
• Офицер, поднявший металлическую шпагу на открытом месте, превращал себя в самую высокую точку на местности с заострённым проводником. На острие шпаги резко возрастала напряжённость электростатического поля грозового облака, провоцируя возникновение коронного разряда и притягивая ступенчатый лидер молнии именно к шпаге. Поскольку шпага не была заземлена отдельным массивным шинопроводом, колоссальный ток молнии неизбежно проходил через тело самого человека прямо в землю, приводя к мгновенной гибели.