Задание 21 ЕГЭ по физике: Электрические вакуумные лампы накаливания со спиральной… | Global EE
№2. Задание 21
ID: 00009878
Электрические вакуумные лампы накаливания со спиральной вольфрамовой нитью накала имеют довольно ограниченный срок службы, обычно не превышающий 1000 часов. В процессе длительной работы на внутренней поверхности стеклянной колбы лампы появляется чёрный налёт. Лампы, проработавшие довольно долго, обычно перегорают в момент включения, когда на них подаётся напряжение.
Объясните, основываясь на известных физических законах и закономерностях, причину образования налета на стенках колбы и перегорание ламп в момент их включения.
Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
вакуумная лампа накаливания с вольфрамовой нитью; наблюдается чёрный налёт и перегорание при включении.
Найти:
физическое объяснение обоих явлений.
Решение:
1. Образование чёрного налёта.
При протекании тока через нить накала выделяется теплота по закону Джоуля–Ленца:
Q = I^2 R t
Нить разогревается до температуры ~3000 К. При такой высокой температуре усиливается испарение вольфрама. Поскольку лампа вакуумная, испарившиеся атомы вольфрама беспрепятственно достигают стенок колбы и оседают на них, образуя тёмный металлический налёт.
2. Перегорание в момент включения.
За время длительной работы нить постепенно испаряется и утончается. Электрическое сопротивление нити:
R = \rho \frac{l}{S}
При уменьшении площади поперечного сечения S сопротивление резко возрастает. В момент включения (при подаче напряжения U) теплота:
Q = \frac{U^2}{R} \cdot t
Однако в тонком перешейке сопротивление велико, а масса вещества ничтожно мала. Тепловой расчёт:
Q = \lambda m
где \lambda — удельная теплота плавления. Из-за малой массы m тонкого перешейка для его расплавления требуется совсем мало теплоты — она выделяется мгновенно при включении, нить перегорает.
Ответ
Налёт — испарение вольфрама с горячей нити (Q=I²Rt); перегорание при включении — на тонком перешейке выделяется максимальная мощность P=I²R, а холодная нить даёт скачок тока
