Alma38.ru

Электро Свет
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сборник дидактических материалов по физике с образцами решений. Часть I, страница 6

Сборник дидактических материалов по физике с образцами решений. Часть I , страница 6

На карточке изображена схема электрической цепи для питания электрической лампы через реостат от батареи аккумуляторов. Сопротивление реостата и лампы указаны в карточке. Используя эти данные и показания приборов, выполните задания, ответьте на вопросы.

1 Определите цену деления шкалы амперметра и указываемую им силу тока.

2 Определите цену деления шкалы вольтметра.

3 Каково напряжение на полюсах батареи?

4 Вычислите напряжение: а) на лампе; б) на реостате.

5 Какова плотность тока: а) в проводе реостата, если диаметр его проволоки 0,8мм; б) в нити лампы, если площадь поперечного сечения нити 0,08мм 2 ?

6 Рассчитайте мощность тока: а) в лампе; б) в реостате.

7 Какое количество теплоты выделится за t мин: а) в лампе; б) в реостате? (Время t указано в карточках).

8 Какими станут напряжение, сопротивление и сила тока, если лампу включить параллельно реостату? При этом показания вольтметра уменьшатся на 30% (почему?).

9 Вычислите внутреннее сопротивление и э. д. с. батареи из сравнения показаний измерительных приборов при последовательном и параллельном соединениях лампы и реостата.

10 Что покажет амперметр, если между ним и реостатом включить аккумулятор с э. д. с. 1,2В и внутренним сопротивлением 0,2Ом: а) при направлении э. д. с., совпадающем с направлением э. д. с. основного источника; б) при противоположном направлении.


Вариант 3

/> />
Вариант 5


Вариант 7


Вариант 9


Вариант 11


Постоянный ток

Образец решения

На карточках изображена схема электрической цепи для питания электрической лампы через реостат от батареи аккумуляторов. Сопротивление лампы и реостата указаны на схеме, а измерительные приборы показывают силу тока в цепи и напряжение на полюсах батареи при замкнутом ключе. (Размеры изображения измерительных приборов на схеме намеренно увеличены для более свободного размещения делений и оцифровки шкал.)

Пример решения для карточки

1 Цена деления шкалы амперметра 0,02А

Сила тока в цепи:

2 Цена деления шкалы вольтметра 0,4В

3 Напряжение на полюсах батареи U=4,8В

4 Напряжение U=IR:

а) на лампе: Uл = 0,12А 10 Ом = 1,2В

б) на реостате: Up = 0,12A 30 Ом = 3,6В

5 Плотность тока j = I/S

а) в нити лампы: S = 0,08 мм 2

jл = 0,12А/(8 10 -8 м2 ) = 50 10 6 А/м 2

б) в проводе реостата:

S = 3,14d 2 /4 , S = 3,14 (8 10 -4 ) 2 / 4 м 2 = 5010 -8 м2

Jp = 0,12А/50 10 -8 м2 = 0,24 10 А/м 2

6 Мощность тока P = I 2 R:

а) в лампе: Pл = 0,12 2 А 2 10 Ом = 0,144 Вт

б) в реостате: Pл = 0,12 2 А 2 30 Ом = 0,432 Вт

7 Количество теплоты в джоулях: Q = J 2 Rt:

а) в лампе: Qл = 0,12 2 А 2 10 Ом 60 сек 8,6 Дж

б) в реостате: Qp = 0,12 2 A 2 30 Ом 60 сек 29 Дж

Так, для карточки №8 при последовательном соединение:

Inc = 0,12 A, Unc = 4,8 B, a Rnc = 10 Ом + 30 Ом = 40 Ом

Сила постоянного тока текущего через нить накала лампочки

В железной, так как при прочих равных условиях (длина, сечение) она имеет большее сопротивление.

Пренебрегая внутренним сопротивлением аккумуляторов, скажите, какова сила тока на неразветвленном участке второй схемы по сравнению с силой тока в цепи первой схемы? Какова мощность тока во второй схеме по сравнению с мощностью тока в первой?

Во второй схеме сила тока в 3 раза, а мощность в 6 раз больше, чем в первой.

Мощность равна U 2 /R. Поэтому у лампы 100 Вт сопротивление меньше. Следовательно, ее нить толще и короче, чем у лампы 40 Вт.

Когда в комнате было светлее: при 40 или 39 лампах?

Читайте так же:
Подключить амперметр чтобы измерить силу тока лампы

При заданном напряжении на концах цепи потребляемая в ней мощность тем больше, чем меньше сопротивление цепи. Следовательно, 39 ламп, общее сопротивление которых меньше, чем 40, будут потреблять большую мощность, и температура их нитей будет выше. Поэтому при 39 лампах в комнате будет светлее, чем при 40. Конечно, намного уменьшать число ламп нельзя, так как они тогда перегорят.

Когда пластинка касается контактов 1-2, замыкается цепь, по спирали идет ток и горит лампа Л1 Биметаллическая пластинка нагревается и изгибается вверх, замыкая контакты 3-4. Лампа Л1 гаснет, а Л, зажигается. Так как ток по спирали не идет, то пластинка Лв остывает, изгибается вниз и замыкает контакты 1-2. Далее все повторяется.

Волосок лампы нагревается настолько, что перегорает.

При перемещении ползунка к точке А накал обеих ламп увеличивается.

При перемещении ползунка к точке А накал обеих ламп увеличивается.

Первая лампа, имеющая большее сопротивление.

Лампы Л1 и Л2 будут гореть одинаково, но слабее, чем лампа Л3.

См. рис. 136.


а) Показания амперметра увеличатся; б) ничто не изменится; в) показания вольтметра немного уменьшатся; г) ничто не изменится; д) накал лампы Л, и показания амперметра уменьшатся; е) накал лампы Л2 и показания амперметра уменьшатся; ж) накалы ламп Л1, и Л2 и показания амперметра уменьшатся;з) накалы ламп и показания обоих приборов уменьшатся.

Любой нагревательный прибор не только получает энергию, но и теряет ее все время путем теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Увеличилось в соответствии с формулой Q= (U 2 /R)t

Вертикально расположенная спираль все время находится в потоке восходящего нагретого воздуха, что способствует ее нагреванию до более высокой температуры.

При таком соединении получится короткое замыкание в цепи.

1. При заданном напряжении на предохранителе должно выделяться наибольшее количество теплоты. Это возможно, если сопротивление его наименьшее, т. е. когда он изготовлен из толстой проволоки с небольшим удельным сопротивлением.
2. Предохранитель должен быть легкоплавким, значит, вещество проволоки должно иметь низкую точку плавления. При небольшом количестве теплоты температура должна быстро повышаться до точки плавления. Поэтому удельная теплоемкость материала не должна быть большой и масса проволоки не должна быть велика. Следовательно, очень толстую проволоку брать не следует.
3. Материал должен быть дешевым и легко обрабатываться, т. е. быть экономически выгодным.
Всем этим условиям лучше всего удовлетворяет свинец.

а) Как, не вынимая пробок из предохранителя и не отвинчивая их крышек, можно с помощью лампы, ввинченной в патрон со шнуром с зачищенными концами проводов, точно указать, какая из двух пробок перегорела?
б) Если в квартире погасло электрическое освещение, то как можно установить причину этого явления (произошло ли оно вследствие обрыва провода в квартире, перегорания пробок, отсутствия тока во внешней линии)?

а) Присоединить провода от лампы сначала к клеммам 1-4, а затем к 2-3. Если в первом случае лампа горит, то перегорела левая пробка, если нет, то — правая.
б) Если лампа, присоединенная к клеммам 3-4, горит, то разрыв цепи произошел в квартире. Если не горит, то либо перегорели пробки, либо отсутствует ток во внешней цепи. Накаливание лампы, подключенной к клеммам 1-2, свидетельствует о том, что перегорели пробки. Если же она не накаливается, то, очевидно, электрический ток отсутствует во внешней линии.

а) осветил бы предохранитель в момент перегорания одной или двух пробок;
б) указал бы, какая пробка предохранителя перегорела;
в) показал бы, существует ли еще в цепи короткое замыкание?

Одну сигнальную лампу присоединить к клеммам 1-3, другую — к клеммам 2-4 (рис. 99). Тогда при перегорании левой пробки включится левая сигнальная лампа, при перегорании правой — правая. При коротком замыкании обе сигнальные лампы (или одна лампа) дают максимальный накал.

Читайте так же:
Подключение электроламп от розетки

До замыкания ключа обе лампы горели вполнакала. При замыкании ключа лампа Л1 будет гореть в полный накал, а Л2 погаснет. Если до включения ключа К в розетке сделать короткое замыкание, то произойдет то же, что и при замыкании ключа. Если это сделать после включения К, то ничто не изменится.

Из чего состоит лампочка накаливания — схема и устройство

Для создания искусственного освещения часто используют обычную лампу накаливания. Этот элемент знаком всем еще со времен СССР. Стеклянная колба, патрон и спираль — основные видимые части продукта. Как устроена лампа накаливания изнутри, интересно и мастеру-новичку, и профессионалу.

История изобретения лампочки

Изделие проектировалось и дорабатывалось многими учеными в разные периоды. Первая электрическая дуга была зажжена ученым Петровым В.В. в 1802 году. Изобретение состояло из двух угольных стержней, которые подключались к полюсам гальванической батареи. В момент их сближения возникал электрический разряд, и над элементами формировалась светящаяся дуга. Применение такой лампы в быту было невозможным по ряду причин – неудобство конструкции, быстрое перегорание угольных стержней. Зато мировые ученые начали понимать, из чего сделать лампу.

Спустя 70 лет в 1872 году Лодыгин А.Н. получил патент на лампу накаливания. В качестве спирали в ней был использован стержень ретортного угля, который находился под стеклянным колпаком.

Уже в 1880 году 10 мая лампочкой Лодыгина было обустроено уличное освещение в Санкт-Петербурге на Литейном мосту. Срок службы источника света составлял всего 2 месяца (пока не перегорал угольный стержень).

В 1910 году было принято решение скручивать вольфрамовую нить в спираль для увеличения ресурса её службы. Таким образом, изделие теперь работает вместо первоначальных 50-100 часов целых 1000 ч.

Принцип теплового получения излучения используют и при производстве галогеновых ламп дневного света.

Из чего состоит лампа

Строение и схема лампы накаливания выглядят так:

  • стеклянная колба грушевидной или округлой формы;
  • тело накала (вольфрамовая или угольная нить), расположенное в ней на двух держателях-крючках;
  • два электрода;
  • предохранитель;
  • ножка;
  • цоколь (корпус) с изолятором;
  • его контакт (донышко).

Окисление вольфрамовой нити (спирали, тела накала) исключается за счет её помещения в вакуум или газообразную среду. Ими наполняют стеклянную колбу.

Электротехнические параметры

Все лампочки производятся для разных напряжений. Поскольку тугоплавкий металл вольфрам имеет малое удельное сопротивление, для устройства светового элемента нужен длинный провод. Таким образом, нить накаливания в электрической лампочке часто достигает 50 микрометров. При включении света через тело накала проходит ток, превышающий рабочий в 10-14 раз. Чем больше прогревается нить, тем сильнее увеличивается сопротивление нити и снижается сила тока.

Принцип работы электрической лампы накаливания

Рассмотрев, из чего состоит лампочка, важно понять и принцип её работы:

  • При включении света через донышко цоколя к телу накала проходит ток.
  • Вольфрамовая нить сильно разогревается после замыкания электрической цепи, что приводит к её свечению.
  • На этот момент температура нити достигает 570 градусов.
  • Таким образом спектр свечения лампочек сдвинут в сторону теплых температур.

Для справки: чем ниже градус вольфрамовой/угольной нити, тем ниже будет доля энергии, которая подходит к телу накала и провоцирует его видимое излучение. Ретро-лампы тем и отличаются, что медленнее и слабее прогревают спираль.

Разновидности световых элементов

Классифицируют все изделия по разным параметрам. По типу наполнения колбы различают такие лампы:

  • самые простые вакуумные (при их изготовлении из колбы отсасывается весь воздух);
  • наполненные газом аргоном;
  • ксенон-галогенные;
  • наполненные криптоном.
Читайте так же:
Почему светодиодные лампы горят при выключенном выключателе что делать

По типу предназначения лампочки делят на такие виды:

    Декоративные. Работают по привычному принципу. Колба выполнена в виде свечи или шара.

По количеству нитей накаливания все элементы бывают:

  • Двухнитевые. Имеют одно тело накала для дальнего (сильного) света и одно – для ближнего (слабого) освещения. Используются в авто, авиации, ж/д светофорах, в звездах Московского Кремля.
  • Однонитевые. Привычные лампочки с вольфрамовым телом накала.

Тело накала малоинерционных изделий имеет крайне тонкую спираль. Ранее они применялись для систем оптической записи звука. Существуют также нагревательные лампы, которые используют для устройства сушильных камер, электроплит, оргтехники и др.

Преимущества и недостатки

Лампы накаливания имеют ряд своих достоинств:

  • приемлемую стоимость;
  • компактные габариты;
  • мгновенную реакцию на включение/выключение;
  • отсутствие мерцания, неблагоприятно воздействующего на глаза;
  • инертность к скачкам напряжения;
  • мягкая гамма свечения, способствующая расслаблению, созданию атмосферы уюта;
  • хороший индекс цветопередачи, равный Ra 90;
  • работа в любых условиях (в том числе при высокой влажности);
  • постоянная доступность для потребителя;
  • экологичность;
  • отсутствие шума при работе;
  • инертность к ионизирующей радиации.

К недостаткам ламп накаливания относят такие моменты:

  • хрупкость, чувствительность к механическим повреждениям;
  • сравнительно малый срок эксплуатации;
  • низкий КПД, не превышающий 5-7% (отношение расходуемой мощности к видимому излучению);
  • пожарная опасность при прямом контакте лампы с горючими веществами (текстиль, солома и др.);
  • вероятность взрыва при термическом ударе или разрыве спирали под напряжением.

Несмотря на все перечисленные недостатки, привычные лампочки уверенно сохраняют за собой занятые позиции. Более 70% населения СНГ все еще пользуются ими.

КПД и долговечность

Разбирая, как устроена лампа накаливания, важно понять коэффициент ее полезного действия. При световой температуре 3400 Кельвинов КПД элемента составляет 15%. Имеется в виду отношение потребляемой мощности к видимому человеческим глазом световому излучению. При температуре 2700 К (средняя нормальная для обычной бытовой лампы) коэффициент полезного действия равен всего 5%.

Чем выше температура накала, тем большим будет КПД. Но при этом срок службы изделия снижается. К примеру, если повысить напряжение на 20%, яркость освещения станет сильнее — повысится КПД лампочки, однако срок эксплуатации сократится на 90-95%. Соответственно, снижение напряжения приводит к уменьшению коэффициента полезного действия изделия и увеличению срока его эксплуатации.

Как увеличить срок службы лампы накаливания

В среднем обычная бытовая лампочка накаливания служит 700-1000 часов. Но на деле элемент перегорает гораздо быстрее. Чтобы продлить срок службы лампочки, нужно предотвратить провоцирующие перегорание спирали факторы.

  • Учитывать диапазон напряжений. Его указывают на колбе изделия. Как правило, он равен 125-135 Вт, 220-230 Вт, 2,3-2,4 кВт. При превышенном напряжении в доме изделие будет перегорать скорее. К примеру, в квартире максимальное напряжение 220 В, а лампа куплена с диапазоном 125-135 В. Здесь нить накала перегорит однозначно быстрее, поскольку увеличивается КПД изделия.
  • Устранить неисправность патрона. Если лампы перегорают часто, стоит осмотреть его, перепроверить контакты. При необходимости патрон меняют.
  • Исключить вибрации. Они приводят к быстрому перегоранию вольфрамовой нити. Поэтому перенос мобильных светильников лучше выполнять с выключенной лампочкой.

Для продления срока службы лампы накаливания можно снизить напряжение в сети всего на 7-8%. В этом случае изделие проработает дольше в 3-3,5 раза при экономном расходе электроэнергии.

Явление самоиндукции

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Магнитный поток

Прежде чем говорить об электромагнитной индукции и самоиндукции, нам нужно определить сущность магнитного потока.

Представьте, что вы взяли в руки обруч и вышли на улицу в ливень. Потоки воды будут проходить через обруч.

Читайте так же:
Регулировка тока покоя кв лампового усилителя

Опыт с обручем

Если держать обруч горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.

Опыт с обручем для понимания природы магнитного потока

Теперь давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет сквозь него (если ветер не подует, конечно).

Эксперимент с обручем

Магнитный поток очень похож на поток воды, проходящей через обруч, только считаем мы величину прошедшего через площадь магнитного поля, а не дождя.

Магнитным потоком через площадь ​S​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению:

  • модуля вектора магнитной индукции ​B​,
  • площади поверхности ​S​, которую пронизывает поток,
  • и косинуса угла ​α​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности).

Магнитный поток

Ф — магнитный поток [Вб]

B — магнитная индукция [Тл]

S — площадь пронизываемой поверхности [м 2 ]

n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-]

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно, меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции открыл Майкл Фарадей в ходе серии опытов.

Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки таким образом, что витки одной катушки были расположены между витками второй. Витки первой катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.

При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.

Опыт три. Катушку замкнули на гальванометр, а магнит передвигали относительно катушки.

Опыт с катушкой и магнитом

Вот что показали эти опыты:

  1. Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
  2. Направление тока различается при увеличении числа линий и при их уменьшении.
  3. Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. При этом как само поле может изменяться, так и контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Почему возникает индукционный ток?

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна электродвижущей силе (ЭДС).

Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Самоиндукция

Представим себе любую электрическую цепь, параметры которой можно менять. Если мы изменим силу тока в этой цепи — например, подкрутим реостат или подключим другой источник тока — произойдет изменение магнитного поля. В результате этого изменения в цепи возникнет дополнительный индукционный ток за счет электромагнитной индукции, о которой мы говорили выше. Такое явление называется самоиндукцией, а возникающий при этом ток — током самоиндукции.

Читайте так же:
Схема выключателя света для двух ламп

Формула магнитного потока для самоиндукции

Ф = LI

Ф — собственный магнитный поток [Вб]

L — индуктивность контура [Гн]

I — сила тока в контуре [А]

Онлайн-подготовка к ОГЭ по физике поможет снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Самоиндукция — это возникновение в проводящем контуре ЭДС, создаваемой вследствие изменения силы тока в самом контуре.

Самоиндукция чем-то напоминает инерцию: как в механике нельзя мгновенно остановить движущееся тело, так и ток не может мгновенно приобрести определенное значение за счет самоиндукции.

Представим цепь, состоящую из двух одинаковых ламп, параллельно подключенных к источнику тока. Если мы последовательно со второй лампой включим в эту цепь катушку, то при замыкании цепи произойдет следующее:

  • первая лампа загорится практически сразу,
  • вторая лампа загорится с заметным запаздыванием.

При размыкании цепи сила тока быстро уменьшается, и возникающая ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению магнитного потока. При этом индуцированный ток направлен так же, как и исходный. ЭДС самоиндукции может во многом раз превысить внешнюю ЭДС. Поэтому электрические лампочки так часто перегорают при отключении света.

ЭДС самоиндукции

ξis — ЭДС самоиндукции [В]

ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

ΔI/Δt — скорость изменения силы тока в контуре [А/с]

L — индуктивность [Гн]

Знак минуса в формуле закона электромагнитной индукции указывает на то, что ЭДС индукции препятствует изменению магнитного потока, который вызывает ЭДС. При решении расчетных задач знак минуса не учитывается.

Индуктивность

Индуктивность — это способность накапливать магнитное поле. Она характеризует способность проводника сопротивляться электрическому току. Проще всего это делать с помощью катушки, потому что катушка состоит из витков, которые представляют собой контуры. Вспомните про магнитный поток и обруч под дождем — в контуре создается магнитный поток. Где поток, там и электромагнитная индукция.

Индуктивность контура зависит от его формы и размеров, от магнитных свойств окружающей среды и не зависит от силы тока в контуре.

Можно ли увеличивать индуктивность катушки?

Конечно! Можно увеличить число витков, например. Или поместить в центр катушки железный сердечник.

Как работает катушка

Вокруг каждого проводника, по которому протекает ток, образуется магнитное поле. Если поместить проводник в переменное поле — в нем возникнет ток.

Магнитные поля каждого витка катушки складываются. Поэтому вокруг катушки, по которой протекает ток, возникает сильное магнитное поле. При изменении силы тока в катушке будет изменяться и магнитный поток вокруг нее.

Задачка раз

На рисунке приведен график зависимости силы тока от времени в электрической цепи, индуктивность которой 1 мГн. Определите модуль ЭДС самоиндукции в интервале времени от 15 до 20 с. Ответ выразите в мкВ.

Задача на понимание явления самоиндукции

Решение

За время от 15 до 20 с сила тока изменилась от 20 до 0 мА. Модуль ЭДС самоиндукции равен:

Ответ: модуль ЭДС самоиндукции с 15 до 20 секунд равен 4 мкВ.

Задачка два

По проволочной катушке протекает постоянный электрический ток силой 2 А. При этом поток вектора магнитной индукции через контур, ограниченный витками катушки, равен 4 мВб. Электрический ток какой силы должен протекать по катушке для того, чтобы поток вектора магнитной индукции через указанный контур был равен 6 мВб?

Решение

При протекании тока через катушку индуктивности возникает магнитный поток, численно равный Ф = LI.

Отсюда индуктивность катушки равна:

Тогда для достижения значений потока вектора магнитной индукции в 6 мВб ток будет равен:

Ответ: для достижения значений потока вектора магнитной индукции в 6 мВб необходим ток в 3 А.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector