В результате испарения вольфрама с поверхности нити лампы накаливания нить становится тоньше. Как это отражается на мощности, потребляемой лампой?

Для ответа на этот вопрос нужно понять физические процессы, связанные с работой лампы накаливания, и как изменения в нити влияют на ее электрические характеристики. Рассмотрим несколько ключевых аспектов.

1. Электрическое сопротивление проводника Сопротивление проводника, в частности нити накаливания, определяется по формуле: $$ R = \rho \frac{l}{S}, $$ где $ R $ — электрическое сопротивление, $ \rho $ — удельное сопротивление материала (для вольфрама это постоянная величина при заданной температуре), $ l $ — длина проводника (нити), $ S $ — площадь поперечного сечения проводника.

Когда нить истончается в результате испарения вольфрама, площадь поперечного сечения $ S $ уменьшается. Так как сопротивление обратно пропорционально площади, его величина $ R $ увеличивается.

1. Закон Ома для участка цепи
   Мощность электрической цепи можно выразить через сопротивление и напряжение. Согласно закону Ома:
   $$ I = \frac{U}{R}, $$
   где $ I $ — сила тока в цепи,
   $ U $ — напряжение, которое подаётся на лампу,
   $ R $ — сопротивление нити.

2. Выражение для мощности
   Потребляемая лампой мощность связана с силой тока и напряжением по формуле:
   $$ P = I \cdot U. $$
   Если подставить выражение для силы тока из закона Ома, то получим:
   $$ P = \frac{U^2}{R}. $$
   Отсюда видно, что мощность обратно пропорциональна сопротивлению. Когда сопротивление увеличивается, мощность, потребляемая лампой, уменьшается, при условии, что напряжение $ U $ остаётся постоянным.

3. Температурные изменения и испарение вольфрама
   Нить лампы накаливания, когда горит, находится при очень высокой температуре (около 2500–3000°C). При таких температурах вольфрам начинает постепенно испаряться с поверхности нити. Это приводит к тому, что нить становится тоньше, а её площадь поперечного сечения $ S $ уменьшается. Сопротивление $ R $ увеличивается, как уже было отмечено.

4. Долгосрочные последствия

5. Из−за увеличения сопротивления мощность лампы уменьшается.

6. Уменьшение мощности приводит к снижению температуры нити, так как выделяемая тепловая энергия уменьшается.

7. Снижение температуры нити оказывает влияние на интенсивность света, излучаемого лампой: лампа становится менее яркой, её светоотдача уменьшается.

8. Со временем процесс испарения вольфрама может привести к окончательному выходу лампы из строя, так как нить может стать настолько тонкой, что разорвётся.

Таким образом, уменьшение толщины нити из−за испарения вольфрама влияет на электрическое сопротивление, что, в свою очередь, отражается на мощности, потребляемой лампой, и на её светоотдаче. Эти изменения связаны с основными закономерностями электричества и тепловой физики.