Электрические… — Задание 21 ЕГЭ по физике №00017599

Идея

В лампе работают сразу две вещи. Во-первых, раскалённый металл потихоньку испаряется — это объясняет налёт. Во-вторых, сопротивление металла сильно зависит от температуры — это объясняет, почему лампа гибнет именно в момент включения, а не во время спокойного свечения.

Почему баллон чернеет

Нить из вольфрама во время работы раскалена примерно до 2500–3000 °C. Даже у твёрдого тела при такой температуре идёт испарение (точнее сублимация — переход из твёрдого состояния сразу в пар): отдельные атомы вольфрама отрываются с поверхности нити и разлетаются по объёму баллона. Стекло гораздо холоднее нити, поэтому, долетев до него, атомы вольфрама конденсируются и оседают тёмным металлическим слоем. Чем дольше лампа светит, тем больше вольфрама перенеслось на стекло и тем заметнее чёрный налёт. Заодно нить от этого становится тоньше — а значит, ближе к перегоранию.

Почему перегорает именно при включении

Сопротивление металла растёт с ростом температуры. У холодной (только что включённой) нити сопротивление в несколько раз меньше, чем у раскалённой рабочей. По закону Ома для участка цепи $I=\dfrac{U}{R}$: при том же напряжении сети, но маленьком холодном сопротивлении, ток в первый момент получается в несколько раз больше рабочего — это пусковой бросок тока. По закону Джоуля—Ленца мгновенная тепловая мощность $P=I^2R$ в этот момент резко подскакивает. Нить за годы работы истончается неравномерно: где тоньше — там сопротивление участка больше и тепла выделяется больше. Этот самый тонкий участок при пусковом броске тока перегревается сильнее всего, плавится — и лампа перегорает. Когда нить уже разогрелась, её сопротивление выросло, ток упал до рабочего — в спокойном режиме перегореть гораздо труднее.

Ответ: чернота на стекле — это сконденсировавшийся испарившийся вольфрам нити; перегорание при включении — следствие малого сопротивления холодной нити и большого пускового тока, дающего по закону Джоуля—Ленца резкий нагрев самого тонкого участка.