Kodėl lemputės įkaista?
Trumpas atsakymas: Lemputės įkaista, nes jų viduje elektros energija paverčiama šiluma. Lemputės dalys priešinasi elektros srovei, ir dėl šio pasipriešinimo jos šildomos, nes jos taip pat skleidžia šviesą.
Ką tai reiškia?
Elektra teka per lemputę per mažytes daleles, vadinamas elektronais. Kaitrinės lemputės dalys, pavyzdžiui, metalinis siūlas arba elektroniniai komponentai, priešinasi šiam srautui. Dėl šio pasipriešinimo elektros energija virsta šiluma.
Kaitrinėse lemputėse siūlas taip įkaista, kad šviečia ir skleidžia matomą šviesą. Didžioji dalis kaitrinės lemputės energijos iš tikrųjų virsta šiluma, o ne šviesa. LED lemputės šviesai skleisti naudoja kitokį procesą, tačiau jos vis tiek praranda dalį energijos šilumos pavidalu.
Lemputė skleidžia šilumą liesdama orą (laidumas), judindama orą (konvekcija) ir siųsdama infraraudonąsias bangas (spinduliuotę). Štai kodėl lemputės yra karštos, o kai kurioms lemputėms reikalingos ventiliacijos angos arba vėsūs korpusai.
Kaip tai veikia moksliškai
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikis/dėsnis: Džaulio kaitinimas (dar vadinamas varžiniu kaitinimu) ir šiluminės spinduliuotės dėsniai (juodojo kūno/Stefano-Boltzmanno idėjos).
Elektros srovė, susidūrusi su varža, elektros energiją paverčia šilumine energija. Kaitrinėje lemputėje plonas metalinis siūlas priešinasi srovei ir įkaista, kol išskiria matomą šviesą. Karštas siūlas taip pat skleidžia daug infraraudonosios (nematomos) spinduliuotės, kurią jaučiame kaip šilumą.
LED ir fluorescencinėse lempose elektronai skirtingais būdais išskiria energiją, kad sukurtų šviesą, tačiau dalis energijos grandinėse, sandūrose ir atramose vis tiek tampa šiluma. Energijos tvermės dėsnis teigia, kad įeinanti elektros energija lygi šviesos išeigos ir į aplinką prarandamos šilumos sumai. Kuo karštesnis objektas, tuo daugiau šiluminės spinduliuotės jis skleidžia, o jo spektras (spalva) kylant temperatūrai pasislenka matomos šviesos link.
Kaip mes tai žinome: Mokslininkai matuoja į lemputes patenkančią elektros energiją skaitikliais, šviesos srautą – šviesos matuokliais, o šilumą – termometrais ir terminėmis kameromis. Šie matavimai rodo, kiek energijos tampa šviesa, o kiek – šiluma, todėl galime tiesiogiai matyti kaitinimo efektą.
Kur tai pastebėsi
- 60 vatų kaitrinė lempa, kuri po kelių minučių įjungimo tampa per karšta liesti.
- Stalinė LED lempa, kuri išlieka gana vėsi, bet kurios metalinis pagrindas po ilgo naudojimo įkaista.
- Skrudintuvas arba plaukų džiovintuvas, kuriame specialiai naudojamas varžinis kaitinimas šilumai gauti.
- Halogeninė darbo lempa, kuri labai įkaista, nes jos mažas kaitinimo siūlelis veikia aukštoje temperatūroje.
Eksperimentas
Karštumo palyginimas: kaitrinės ir LED lemputės
Sauga: Suaugusiųjų priežiūra. Lemputės gali įkaisti; nelieskite įjungtos lemputės.
Priemonės
- viena kaitrinė lemputė (60 W) lizde
- viena LED lemputė su panašaus ryškumo etikete
- dvi identiškos lempos arba lizdai
- laikmatis arba laikrodis
- termometras arba infraraudonųjų spindulių termometras (nebūtina)
- popierius ir pieštukas
Žingsniai
- Įdėkite kiekvieną lemputę į atskirą lemputę ir įjunkite jas vienu metu.
- Leiskite joms įjungti 5 minutes. Užsirašykite visus temperatūros rodmenis arba atidžiai palieskite lempos korpusą (nelieskite stiklo).
- Išjunkite abi ir palaukite, kol jos atvės. Palyginkite, kuri buvo karštesnė, ir atkreipkite dėmesį į šviesos skirtumus.
- Jei reikia, pakartokite, keisdami lempų vietas, kad būtų teisingiau. Ką tai rodo: Kaitrinės lemputės įkaista nei LED lemputės, nes daugiau elektros energijos virsta šiluma kaitinimo siūlelyje.
Naudingi terminai
- Varža: medžiagų savybė, dėl kurios sunkiau tekėti elektros srovei; ji dalį elektros energijos paverčia šiluma.
- Džaulio kaitinimas: procesas, kurio metu elektros srovė per varžą gamina šilumą (dar vadinamas varžiniu kaitinimu).
- Šiluminė spinduliuotė: karštų objektų skleidžiama energija elektromagnetinių bangų, įskaitant infraraudonuosius spindulius, pavidalu, kurią mes jaučiame kaip šilumą.
- Konvekcija: šilumos perdavimas šilto oro ar skysčio judėjimui nuo karšto objekto.
- Efektyvumas: įvestos energijos dalis, kuri tampa naudinga produkcija (pvz., šviesa), o ne atliekomis (pvz., šiluma).
Vaikai klausia
Kodėl kaitrinė lemputė įkaista labiau nei LED?
Kaitrinės lemputės skleidžia šviesą kaitindamos kaitinimo siūlelį iki labai aukštos temperatūros, todėl didžioji dalis energijos virsta šiluma; LED lemputės naudoja kitokį procesą, kurio metu mažiau energijos išeikvojama šilumos pavidalu.
Ar įkaitusi lemputė gali sukelti gaisrą?
Taip, labai įkaitusi lemputė šalia degių medžiagų gali sukelti gaisrą, todėl laikykite audinius ir popierių atokiau nuo įkaitusių lempų.
Ar lemputės skleidžiama šiluma pavojinga?
Palietus ją galima nudeginti odą ir pažeisti šalia esančius daiktus, todėl lemputes imkite tik atvėsusias ir naudokite tinkamus šviestuvus.