09-з. Электронагревательные приборы
§ 09-з. Электронагревательные приборы
Электронагревательные приборы получили очень широкое распространение в нашей жизни. Например, электроплиты и чайники, утюги, камины, фены и другие уже давно стали привычными «жильцами» наших квартир.
Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент. Со второй половины XX века и по настоящее время широко используются так называемые ТЭНы — трубчатые электронагреватели (см. фото). Они представляют собой нихромовую проволоку, свитую в виде спирали и помещённую внутрь металлической трубки, заполненной электроизолирующим теплопроводным порошком. ТЭНы применяют в большинстве водонагревательных приборов, в утюгах, электроплитах, электрокаминах и так далее. Такие ТЭНы имеют размеры до нескольких дециметров и мощность до нескольких тысяч ватт.
В последнее время начинают широко распространяться электрические «тёплые полы». Для их укладки используют ТЭНы, которые находятся не в металлических трубках, а в пластмассовых, поэтому хорошо гнутся. Это важно, чтобы укладывать их в виде «змейки», равномерно покрывая всю площадь пола и обходя препятствия, например изгибы и выступы стен. Такие нагреватели имеют длину десятки метров и мощность до нескольких сотен ватт, что достаточно для обогрева одной комнаты.
В обычных лампах накаливания в световую энергию превращается менее 10% потребляемой электроэнергии, а остальные 90% превращаются в теплоту. Поэтому лампы накаливания тоже можно считать электронагревательными приборами. И хотя их чаще всего используют именно для освещения, нередки случаи, когда их применяют и для обогрева, например, теплиц. Для подключения ламп к электросети используют специальный патрон (на рисунке показан в разрезе). Он имеет нижний контакт в виде упругой пластинки и кольцевой контакт, соприкасающийся с цоколем лампы.
Важно: теплота выделяется не только в нагревательном элементе, но и в проводах. Однако на единице длины нагревательного элемента теплоты выделяется гораздо больше, чем на единице длины провода. Другими словами, на каждом сантиметре спирали выделяется гораздо больше теплоты, чем на каждом сантиметре провода, подводящего к спирали ток. В чём причина этого?
Во-первых, нагревательный элемент и подводящие провода изготовлены из разных металлов: нихрома и меди. Между тем, если взять одинаковые по размерам проводники из нихрома и меди, то нихромовый проводник будет иметь в 50 раз большее сопротивление, чем медный. Это же можно сказать иначе: удельное сопротивление нихрома в 50 раз больше удельного сопротивления меди. Выясним, как это влияет на выделение теплоты.
Нагревательный элемент и подводящие провода представляют собой проводники, соединённые последовательно. В § 9-б мы узнали, что в таких проводниках сила тока одинакова. Следовательно, согласно закону Джоуля–Ленца, количества теплот, выделяющихся в этих проводниках, прямо пропорциональны их сопротивлениям (так как силы токов и времена его прохождения одинаковы). Поэтому каждая единица длины нихромовой проволоки выделяет в 50 раз больше теплоты, чем единица длины медного провода, если площади их поперечного сечения одинаковы.
Во-вторых, нихромовая проволока свёрнута в спираль, длина которой в 10-20 раз меньше длины самой проволоки (см. рисунок). Поэтому на единице длины спирали выделяется в 10-20 раз больше теплоты, чем на единице длины прямого отрезка нихромовой проволоки.
Итак, две причины — применение вещества с большим удельным сопротивлением (нихрома или аналогичного) и плотное его размещение (спираль с близкими витками) приводят к тому, что основное количество теплоты выделяется именно в нагревательном элементе электроприбора, а не в проводах.