§ 25. Нагревание проводников электрическим током

Нагревание проводников электрическим током широко используется для практических целей в промышленности и в быту. На этом явлении основано устройство электрических ламп накаливания, электронагревательных приборов, электрических печей, многих типов измерительной и медицинской аппаратуры и т. д
Из всех видов искусственного освещения наибольшее распространение получила электрическая лампа накаливания с металлической нитью, изобретенная А. Н. Лодыгиным. В такой лампе проводящая нить под действием тока нагревается до белого каления и вследствие этого излучает свет.
Основными частями современной лампы накаливания являются нить накала и стеклянный баллон (колба).
Материалом для изготовления нити накала осветительных ламп служит вольфрам (с примесью оксида тория и других элементов). Этот металл обладает высокой температурой плавления (3660°) и большой механической прочностью.
Нормальные осветительные лампы выпускаются для напряжений 110, 120, 127 и 220 в.
Чтобы накаленная нить не сгорела, т. е. чтобы она не соединялась с кислородом воздуха, из колбы удаляют кислород. Лампы мощностью до 60 вт изготовляют с колбами, из которых выкачан воздух (вакуумные лампы), у более мощных ламп колбы наполняют разреженной смесью инертных газов — аргона и азота или криптоном (газополные лампы). При наличии в колбе инертного газа уменьшается испарение вольфрама с поверхности нити, что позволяет повысить температуру накала нити.
Нить накала выполняется из тонкой проволоки, свернутой в спираль с близко расположенными друг к другу витками.
Основными характеристиками лампы накаливания являются номинальное напряжение, мощность, излучаемый световой поток, срок службы и световая отдача, которая представляет собой отношение светового потока к мощности и определяет экономичность лампы.
Время непрерывного горения лампы при ее номинальном напряжении, в течение которого она теряет 10% от начального светового потока, называется сроком службы лампы. Стандартный срок службы ламп 1000 ч. Световой поток, излучаемый лампой, уменьшается потому, что при температуре белого каления происходит постоянное уменьшение площади поперечного сечения нити вследствие испарения металла, который в виде пыли осаждается на стенке колбы. Это приводит к увеличению сопротивления нити накала и уменьшению силы света.
Электрическое нагревание проводников не всегда полезно. Так, в проводах электросети нагревание связано с бесполезной затратой электрической энергии, а при больших токах может создавать опасность возникновения пожаров. Мощность, которую могут дополнительно отдавать электрические двигатели и генераторы, не может увеличиваться беспредельно, так как она ограничена нагревом проводов обмоток этих электрических машин.
Во избежание чрезмерного нагрева соединительных проводов, а также различных обмоток из изолированной проволоки для электрической аппаратуры установлены нормы наибольших допустимых значений сил токов, которые могут проходить по данному проводу или обмотке. Допустимая сила тока определяется максимальной для данного материала и проводника плотностью тока. Плотностью тока называется сила тока, приходящаяся на один квадратный миллиметр площади поперечного сечения провода.
Например, если по проводу в 6 мм² протекает ток силой 30 а, то плотность тока в этом проводе равна: 30 : 6 = 5 а/мм².
Для защиты аппаратов и приборов от прохождения по ним слишком больших токов применяют предохранительные устройства, которые автоматически прерывают цепь тока, как только величина последнего превзойдет допустимое значение.