В лампе накаливания и подводящих проводах сила тока одинаковая. Почему нить лампы накаляется, а провода остаются холодными?

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие при прохождении электрического тока через проводники.

Когда через проводник проходит электрический ток, энергия электрического поля переносится через свободные электроны внутри проводника. Электроны, двигаясь в основном в одном направлении под воздействием электрического поля, сталкиваются с атомами материала проводника. Эти столкновения вызывают передачу энергии от электронов к атомам. Атомы начинают колебаться с большей амплитудой, что повышает тепловую энергию проводника. Это явление называется нагревом проводника электрическим током.

Количественно выделение тепла можно описать с помощью закона Джоуля−Ленца, который гласит, что тепловая энергия, выделяемая в проводнике, пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени:

$ Q = I^2 R t $,

где:
− $ Q $ — количество теплоты, выделяющееся в проводнике (в джоулях),
− $ I $ — сила тока, протекающего через проводник (в амперах),
− $ R $ — сопротивление проводника (в омах),
− $ t $ — время, в течение которого ток протекает через проводник (в секундах).

Теперь рассмотрим, почему при одинаковой силе тока одни проводники (нить лампы) нагреваются больше, чем другие (подводящие провода).

1. Сопротивление проводников. Сопротивление $ R $ материала проводника зависит от его свойств и определяется формулой: $ R = \rho \frac{L}{S} $, где:
   • $ \rho $ — удельное сопротивление материала (характеристика материала проводника),
   • $ L $ — длина проводника,
   • $ S $ — площадь поперечного сечения проводника.

Нить лампы накаливания изготавливают из материала с высоким удельным сопротивлением ($ \rho $), например, из вольфрама. Кроме того, нить лампы тонкая (имеет малую площадь поперечного сечения $ S $) и часто свернута в спираль, что увеличивает её длину $ L $. Все эти факторы делают сопротивление нити лампы очень большим.

Подводящие же провода обычно изготавливаются из материалов с низким удельным сопротивлением, таких как медь или алюминий. Они также имеют большую площадь поперечного сечения, что снижает их сопротивление. Таким образом, сопротивление проводов намного меньше, чем сопротивление нити лампы.

1. Выделение тепла в зависимости от сопротивления.
   Согласно закону Джоуля−Ленца, количество тепла $ Q $ прямо пропорционально сопротивлению $ R $. Поскольку сопротивление нити лампы гораздо больше, чем сопротивление проводов, то и тепловая энергия в нити выделяется значительно интенсивнее, чем в проводах.

2. Температура и теплоотдача.
   Когда проводник нагревается, его температура повышается. Температура нити лампы накаливания становится очень высокой (до нескольких тысяч градусов), что приводит к её свечению. Такая высокая температура обусловлена большим выделением тепла за счёт высокого сопротивления нити.

Подводящие провода же остаются холодными, потому что их сопротивление мало, и выделяемое ими тепло незначительно. Кроме того, у проводов большая площадь поверхности, что способствует эффективной теплоотдаче в окружающую среду. Это дальнейшим образом препятствует нагреву проводов.

1. Цель конструкции. Нить лампы специально изготавливается с высоким сопротивлением, чтобы при прохождении тока через неё выделялось много тепла, необходимого для нагрева до температуры свечения. Подводящие провода, напротив, проектируются так, чтобы минимизировать выделение тепла, поскольку их задача — передача электрической энергии, а не её преобразование в тепло.

Таким образом, основной причиной, по которой нить лампы накаливания нагревается, а провода остаются холодными, является разница в их сопротивлениях. Высокое сопротивление нити лампы вызывает значительное выделение тепла, что приводит к её сильному нагреву и свечению. Подводящие провода имеют низкое сопротивление, поэтому выделяемое ими тепло незначительно, и они остаются холодными.