物理教學(xué)中值得探討的白熾燈燈絲熔斷問題

梅硯君

(淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué) 山東 淄博 255090)

白熾燈是照明電路中的最重要最常見的電器.燈泡的構(gòu)造和使用中蘊(yùn)含著許多物理知識(shí)，因而白熾燈也成為中學(xué)物理教學(xué)中常舉的例子，尤其是白熾燈的燈絲燒斷現(xiàn)象更是生活中的常見物理現(xiàn)象，是貼近學(xué)生生活、激發(fā)學(xué)生興趣的好題材.在教材和教學(xué)中雖有所涉及，但不夠全面和深入.在這里，筆者把此問題作一較全面的分析.

對(duì)于燈泡的燈絲易在開燈的一瞬間燒毀，一般的解釋很簡(jiǎn)單：燈絲正常工作時(shí)的電阻是未接入電路時(shí)的10多倍，在開燈瞬間電流很大，實(shí)際功率高出額定功率的十余倍，故易燒毀.這種解釋令人頗費(fèi)推敲，乍一想似乎就是在開燈的一瞬間，電流很大，使燈絲溫度急劇升高，一下子竄到3 000多攝氏度.達(dá)到了鎢的熔點(diǎn)，將燈絲燒毀了.仔細(xì)一想又不妥，因?yàn)楫?dāng)燈絲整體溫度升至2 000多攝氏度時(shí)，燈絲電阻已增大10多倍而進(jìn)入正常工作狀態(tài)，燈絲溫度不會(huì)再繼續(xù)升高到3 000多攝氏度.那么，燈絲為什么又會(huì)燒毀呢？這里面應(yīng)有更深刻的原因.

實(shí)際上，我們細(xì)心觀察一下，在正常電壓下合格的燈泡，不論是在開燈瞬間燒毀，還是在工作過程中燒毀，其燈絲都是從某一處斷開，尤其以燒斷燈絲與接線柱的接頭處為多，而絕無整體燒熔現(xiàn)象.這說明燈絲整體溫度并沒升至熔點(diǎn)，燈絲燒毀的現(xiàn)象是由于燈絲某處的升溫過高所致.為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因?yàn)樵跓艚z制作過程中不可能做到粗細(xì)均勻，細(xì)的部位電阻要大一些，再者燈絲與接線柱的接頭處存在接觸電阻.若因制作工藝不精細(xì)或接頭處松動(dòng)等原因造成這兩處電阻過大，就埋下了燈絲被燒毀的隱患.根據(jù)焦耳定律和歐姆定律，在開燈瞬間，燈絲整體溫度尚未升起時(shí)，過大的電流得不到有效的遏制，電阻較大的部位溫度先升高，而溫度的升高又導(dǎo)致該處的電阻變得更大，更大的電阻導(dǎo)致發(fā)熱更多，如此形成惡性循環(huán)，最終使該處極易升至熔點(diǎn)而被燒毀.

我們也可以通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證：將1 000 W電爐絲的某一處用銼刀銼細(xì)一些，并將接頭處安裝得松一些，保持一個(gè)較大的接觸電阻，然后接入電路.可以看到電爐絲較細(xì)處和接頭處先發(fā)熱變紅，接頭處有時(shí)還被燒得冒火花.電爐絲正常工作后，這兩處也要比別處更亮一些，溫度更高一些.實(shí)際使用中這兩處總是比別的地方容易燒斷.

作為應(yīng)急措施，對(duì)燒斷燈絲的白熾燈，重新搭好燈絲后，白熾燈可以繼續(xù)使用，而且較以前更亮.如果再次燒斷的話，最有可能燒斷的地方在哪里呢？對(duì)于這個(gè)問題，有以下兩種情況.

(1)若搭接處接觸緊密，那么可能從接頭以外的地方燒斷.這是因?yàn)榻宇^接觸良好，此處電阻的橫截面積將會(huì)增大，造成此處的電阻在相同長(zhǎng)度上小于其他地方.可將接頭處的燈絲電阻與其他相同長(zhǎng)度的燈絲電阻看成串聯(lián)，因?yàn)榱鬟^的電流相等，由焦耳定律可知，在相同時(shí)間內(nèi)，接頭以外的其他地方產(chǎn)生的熱更多，溫度升高較快，更容易達(dá)到熔點(diǎn)而熔斷.一般這種情況較少.

(2)若搭接處接觸較松，則可能從該處燒斷.這是因?yàn)榻宇^處較松，接觸電阻大，因而該處電阻在相等長(zhǎng)度上大于其他地方，與前述結(jié)果相反.由焦耳定律知，在相同時(shí)間里，接頭處產(chǎn)生的熱大于其他地方，這時(shí)可能從接頭處燒斷.實(shí)際中以此種情況居多.

由以上分析不難看出，若燈絲的制作達(dá)到粗細(xì)均勻，燈絲接頭處很緊密，則開燈時(shí)，燈絲將均勻升溫至正常發(fā)光，燈絲在開燈瞬間被燒毀的現(xiàn)象可以最大程度地避免.因此，燈絲制作是否粗細(xì)均勻，燈絲接頭處是否緊密，是影響燈泡壽命的重要因素，應(yīng)成為燈泡制造業(yè)的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo).

生活中，為了有效防止燈絲燒斷，可以把白熾燈的開關(guān)改為可調(diào)節(jié)電流的開關(guān).開燈之初，控制電流較小，讓燈絲預(yù)熱，溫度升高、電阻增大后，再調(diào)到滿亮度，這樣就可以避免瞬間高溫將燈絲燒斷.也可以改變燈泡內(nèi)的填充氣體類型或采用其他辦法，使燈絲周圍散熱加快，不讓燈絲的能量聚集、升溫過快，過高.

在物理教學(xué)中，巧妙地利用燈絲熔斷問題將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)連接起來，對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣會(huì)大有益處的.