Elektros srovės šiluminis veikimas

Elektros srovės laidininkuose nematome, tačiau apie ją galime spręsti iš šiluminio veikimo. Atsargiai priartinę ranką prie ką tik išjungtos elektros lemputės jaučiame šilumą. Dėl elektros srovės šiluminio veikimo kaista elektrinis virdulys, lygintuvas, elektrinė viryklė (4.3.1 pav.).

Norint suprasti, kodėl šyla laidininkai jais tekant elektros srovei, tenka prisiminti varžos prigimtį (2.6.1 pav., b). Elektrinio lauko pagreitinti elektronai susidurdami su metalinio laidininko kristalinės gardelės jonais perduoda jiems dalį savo energijos, ir elektronų judėjimo greitis sumažėja. Kuo stipriau stabdomi laisvieji elektronai, tuo didesnį pasipriešinimą jie patiria, tuo didesnė laidininko varža. Kristalinės gardelės jonai, gavę energijos iš elektronų, ima intensyviau svyruoti apie pusiausvyros padėtis. Vadinasi, jų energija, kartu ir laidininko vidinė energija padidėja. Laidininkas įšyla, pakyla jo temperatūra. Vadinasi, kuo didesnė laidininko varža, tuo labiau laidininkas šyla ir tuo daugiau šilumos perduoda aplinkai. Dėl šios priežasties elektrinių šildymo prietaisų spiralės gaminamos iš didelės varžos laidininkų: volframo, nichromo ir kitų (žr. 2.3 lentelę).

Apie padidėjusią laidininko vidinę energiją sprendžiame iš išsiskiriančios šilumos kiekio, kuris žymimas raide Q (4.3.2 pav.). Jei laidininkas, kuriuo teka elektros srovė, nejuda ir nevyksta jokios cheminės reakcijos, visas elektros srovės atliktas darbas (A) lygus išsiskiriančios šilumos kiekiui (Q) (4.3.2 pav.):

Q=A=I^2Rt.

Vadinasi, laidininke, kuriuo teka elektros srovė, išsiskiriančios šilumos kiekis lygus srovės stiprio kvadrato, laidininko varžos ir srovės tekėjimo laidininku trukmės sandaugai:

Elektros srovės šiluminio veikimo atradimas paskatino XIX a. antroje pusėje sukurti kaitinamąją lempą. Ją sudaro stiklinė kolba (1) ir cokolis (2) (4.3.3 pav.). Pagrindinė lempos dalis – plona volframinė didelės varžos spiralė (3), dar vadinama kaitinamuoju siūleliu. Volframinis siūlelis pritvirtintas prie dviejų storesnių vielučių (4). Viena vielutė prilituota prie metalinio cokolio sriegių (5), kita – prie sriegių cokolio pagrindo (6). Sriegių cokolio pagrindas nuo sriegių atskirtas izoliaciniu sluoksniu (7) (4.3.3 pav.).

Kai lempa teka elektros srovė, jos kaitinamasis siūlelis įkaista iki 3 000 ℃, bet neišsilydo, kadangi volframo lydymosi temperatūra yra aukšta – 3 387 ℃. Iš fizikos mokslo istorijos žinoma, kad tyrėjai ilgai ieškojo medžiagos, iš kurios galėtų pagaminti lempos siūlelį. Kad siūlelis nesioksiduotų, iš kolbos išsiurbiamas oras arba ji pripildoma inertinių dujų (azoto, kriptono). Įprastomis sąlygomis kaitinamoji lempa be perstojo gali degti apie 1 000 valandų, t. y. apie 41 parą. Perdegus kaitinamosios lempos siūleliui elektros grandinė tampa atvira, lempa nebešviečia (4.3.5 pav.).

Apžiūrėdami kaitinamąją lempą matome, kad ant jos nurodyta elektros srovės galia (P) ir įtampa (U) – nominalieji parametrai. Buityje dažniausiai naudojamos 40 W, 60 W ir 100 W galios lempos, numatytos 220 V įtampai. Jei įtampa grandinėje tampa mažesnė už nominaliąją, kaitinamojoje lempoje išsiskiria mažesnė galia ir ji šviečia silpniau. Jei įtampa nominaliąją įtampą viršija 1 %, lempa pradeda šviesti ryškiau, bet jos veikimo trukmė sumažėja 15 %. Apšvieta, kurią sukuria 100 W galios lempa, prilygsta 1 000 žvakių apšvietai.

Pagrindinė šilumą skleidžiančių elektrinių prietaisų detalė – kaitinamasis elementas (4.3.6 pav.), pagamintas iš didelės varžos medžiagos, kuri nesuyra esant aukštai (1 000–1 200 ℃) temperatūrai. Gaminant kaitinamuosius elementus dažniausiai naudojamas nichromas – nikelio, geležies, chromo ir mangano lydinys. Elektros srovė tekėdama elektriniu prietaisu kaitina kaitinamąjį elementą. Jame išsiskyrusi šiluma naudojama įvairioms reikmėms, pavyzdžiui, vandeniui šildyti, drabužiams lyginti.

Aptarkime, kaip nuo kaitinamojo elemento varžos priklauso elektrinių prietaisų galia. Buitiniai elektriniai prietaisai jungiami lygiagrečiai į 220 V įtampos tinklą. Iš (4.6) formulės išplaukia, kad prietaiso gnybtuose esant vienodai įtampai skirtinga galia išvystoma dėl nevienodos prietaiso kaitinamojo elemento varžos:

P=\frac{U^2}{R}.

Kuo didesnė kaitinamojo elemento varža, tuo mažesnė elektrinio prietaiso galia. Vadinasi, norint pagaminti galingesnį elektrinį prietaisą reikia naudoti mažesnės varžos kaitinamąjį elementą. Pavyzdžiui, 500 W galios lygintuvo kaitinamojo elemento varža yra didesnė nei 1 000 W galios lygintuvo.