Тепловое действие электрического тока используется в многочисленных электронагревательных приборах, которые можно разделить на две группы.
Первая из них объединяет устройства, предназначенные для нагревания газообразных, жидких и твёрдых тел. Это хорошо известные вам электрические камины, стационарные плиты и переносные плитки, электрочайники и кипятильники, утюги и паяльники. Все они имеют нагревательный элемент из материала (обычно сплава) с достаточно большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать нагревание до высокой температуры.
Обычно мы, даже вскрыв прибор, не видим эту проволоку, так как по правилам техники безопасности её тщательно изолируют от корпуса прибора различными изоляционными материалами.
Вторую группу приборов образуют лампы накаливания. Главной их частью является вольфрамовая спираль (3), укреплённая на держателях (5). Спираль лампы помещена в стеклянную колбу (1), из которой откачен воздух, чтобы спираль не перегорала. Но так как в вакууме вольфрам быстро испаряется, то колбу чаще всего заполняют азотом, реже — инертными газами.
Принцип работы лампы следующий: ток, подводимый к спирали через специальный винтовой патрон, вызывает выделение значительного количества теплоты в спирали очень малой массы, что приводит к повышению её температуры почти до 3 000 оС и ослепительному свечению.
Любопытно что первая в мире лампа накаливания была изобретена в 1872 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным.
В 1879 г. американец Томасом Эдисон усовершенствовал лампу Лодыгина, применив в ней вольфрамовую спираль.
В России впервые был открыт и использован для освещения дуговой разряд, в котором теплота выделялась не в твёрдом теле, а в воздушном зазоре между двумя электродами.
Необходимо отметить, что лампа накаливания имеет очень низкий коэффициент полезного действия. Даже в лучших лампах не более 5% потребляемой электроэнергии превращается в энергию светового излучения, а вся остальная энергия идёт на создание невидимого глазу теплового излучения. Поэтому лампы накаливания все более и более вытесняются газоразрядными лампами, в которых ток проходит не через металлическую спираль, а через смесь газов.
Газоразрядная энергосберегающая лампа, потребляя мощность всего 20 Вт, даёт такой же световой поток, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт. Однако и эти лампы уже повсеместно начинают вытесняться светодиодными лампами.
Рост числа электроустройств в быту и производстве делает все более важной задачу экономии электроэнергии. Эта проблема решается по трём направлениям.
Во-первых, это поиски новых энергосберегающих технологий и устройств. И это не только переход к новым, более экономичным электролампам. Это создание новых моделей телевизоров, холодильников и транспортных средств.
Второе направление, позволяющее значительно уменьшить потребление электроэнергии — это повышение культуры энергопользования.
Не будем забывать и о возможности использования природных источников энергии: ветра и особенно Солнца.
Так, проблему получения горячей воды для летнего домика (или дачи) можно решить двумя различными способами. Можно купить в магазине водоэлектронагреватель мощностью более двух киловатт и усугубить проблему расхода электроэнергии. А можно изготовить солнечный нагреватель, используя покрашенную чёрной краской бочку.
Электричество, давшее человеку большие возможности овладения природой, таит в себе скрытую опасность. Познакомимся с двумя основными видами опасности, которая возникает при работе с различными электрическими цепями.
Во-первых, тело человека, состоящее более чем на 2/3 из жидкости, является хорошим проводником. Только значительное сопротивление — десятки и даже сотни килоом, которое имеет загрубевшая кожа рук, препятствует протеканию через тело тока большой силы. Поэтому при малых напряжениях в несколько вольт через нас протекает ток силой в доли миллиампера, который мы даже не ощущаем. Но уже начиная с напряжения 36 В возросшая сила тока может вызвать заметное биологическое действие, а ток силой более 100 мА, как правило, вызывает смертельный исход. Поэтому внимательно и серьёзно относитесь к тем правилам техники безопасности, которые вам сообщает учитель перед проведением лабораторных работ.
Второй вид опасности при использовании электрического тока связан с тем, что выделение теплоты происходит не только в нагрузке, но и в подводящих проводах и в источнике. При небольших токах эта теплота очень мала, но при значительных токах она резко возрастает, проводка сильно нагревается, что может привести к пожару. Такая ситуация может возникнуть, во-первых, при подключении одновременно слишком большого числа потребителей в сеть: обогревателя, стиральной машины, кипятильника, утюга и так далее.
Кроме того, эта ситуация неизбежна при коротком замыкании в цепи. Напомним, что коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень малО по сравнению с сопротивлением участка цепи. При коротком замыкании страдает не только проводка, но и сам источник, перегреваемый током огромной силы.
Для экстренного разрыва цепи в таких случаях служат предохранители. Самый простой предохранитель — плавкий — представляет собой включаемую последовательно в цепь свинцовую проволочку.
При достижении в цепи тока определённой силы тонкая проволочка нагревается и расплавляется, разрывая перегруженную цепь.
Устранив причину перегрузки, необходимо поставить новый предохранитель, рассчитанный на тот же предельный ток.
Второй распространённый вид предохранителя — автоматический, который производит разрыв цепи при достижении определённой силы тока.
В отличие от плавкого, этот предохранитель при срабатывании не разрушается и может быть снова введён в рабочее положение.