Электронагревательные приборы

Электронагревательные приборы получили очень широкое распространение в нашей жизни. Например, электроплитки и чайники, утюги, камины, фены и другие уже давно стали привычными «жильцами» наших квартир.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент. Со второй половины XX века и по настоящее время широко используются так называемые ТЭНы – трубчатые электронагреватели (см. фото). Они представляют собой нихромовую проволоку, свитую в виде спирали и помещённую внутрь металлической трубки, заполненной электроизолирующим теплопроводным порошком. ТЭНы применяют в большинстве водонагревательных приборов, в утюгах, электроплитах, электрокаминах и так далее. Такие ТЭНы имеют размеры до нескольких дециметров и мощность до нескольких киловатт.
В последнее время начинают широко распространяться электрические «тёплые полы». Для их укладки используют ТЭНы, которые находятся не в металлических трубках, а в пластмассовых, поэтому хорошо гнутся. Это важно, чтобы укладывать их в виде «змейки», равномерно покрывая всю площадь пола и обходя препятствия, например, изгибы и выступы стен. Такие ТЭНы имеют длину несколько десятков метров и мощность до нескольких киловатт, что достаточно для обогрева одной комнаты.

Обычные, уже морально устаревшие лампы накаливания, превращают в световую энергию менее 10 % потребляемой электроэнергии, а остальные 90 % превращают в теплоту. Поэтому лампы тоже можно считать электронагревательным приборами. И хотя их чаще всего используют именно для освещения, нередки случаи, когда их применяют и для обогрева, например, теплиц. Для подключения ламп к электросети используют специальный патрон (на рисунке показан в разрезе). Он имеет нижний контакт в виде упругой пластинки и кольцевой контакт, соприкасающийся с цоколем лампы.
Итак, нагревательные элементы электроприборов изготавливают из металлической проволоки (а также ленты или плёнки). Но ведь и провода, подводящие ток к прибору, тоже изготовлены из металла. Не возникал ли у вас вопрос: почему же теплота выделяется именно в нагревательном элементе, а не в подводящих проводах?
Важно: теплота выделяется не только в нагревательном элементе, но и в проводах. Однако, на единице длины нагревательного элемента теплоты выделяется гораздо больше, чем на единице длины провода.Другими словами, на каждом сантиметре спирали выделяется гораздо больше теплоты, чем на каждом сантиметре провода, подводящего к спирали ток.
Во-первых, нагревательный элемент и подводящие провода изготовлены из разных металлов: нихрома и меди. Заметим, что удельное сопротивление нихрома в 50 раз больше удельного сопротивления меди. Это значит, что одинаковые по размерам проводники из нихрома и меди будут иметь сопротивления, различающиеся в 50 раз. Выясним, как это влияет на выделение тепла.
Нагревательный элемент и подводящие провода представляют собой проводники, соединённые последовательно. В § 9-б мы узнали, что в таких проводниках сила тока одинакова. Следовательно, согласно закону Джоуля-Ленца, количества теплот, выделяющихся в этих проводниках, прямо пропорциональны их сопротивлениям (так как сила тока и время его прохождения одинаковы). Поэтому каждая единица длины нихромовой проволоки выделяет в 50 раз больше теплоты, чем единица длины медного провода, если площади их поперечного сечения одинаковы.

Во-вторых, нихромовая проволока свёрнута в спираль, длина которой в 10–20 раз меньше длины самой проволоки. Поэтому на единице длины спирали выделяется в 10–20 раз больше теплоты, чем на единице длины прямого отрезка нихромовой проволоки.
Итак, две причины – применение вещества с большим удельным сопротивлением (нихрома) и плотное его размещение (спираль с близко расположенными витками) приводят к тому, что основное количество теплоты выделяется именно в нагревательном элементе электроприбора, а не в проводах.