ID: 00017599
Вакуумные лампочки накаливания имеют весьма ограниченный срок службы. Если они уже долго светили, то их стеклянные баллоны постепенно покрываются изнутри чёрным налётом, а перегорают они чаще всего в момент включения в сеть. Объясните указанные факты, указав, какие физические явления и законы Вы использовали.
Источник: ФИПИ
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.
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.
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.
Чёрный налёт: вольфрамовая нить раскалена и понемногу испаряется (сублимирует); атомы вольфрама долетают до более холодного стекла, оседают на нём и темнят баллон.
Перегорают при включении: у холодной нити сопротивление в несколько раз меньше рабочего, поэтому в первый момент через неё идёт большой пусковой ток. В самом тонком (наиболее изношенном) месте мгновенно выделяется максимум теплоты — нить там перегревается и плавится.