21. Молекулярная физика - электродинамика: качественная задача: #215769

$1)$ Для увеличения излучения в видимом диапазоне длин волн рабочую температуру нити накала приходится максимально повышать, приближаясь к температуре плавления вольфрама, поэтому нить работает при очень высокой температуре.

$2)$ При такой высокой температуре вольфрам постепенно испаряется; пары вольфрама, упав на холодные внутренние стенки вакуумированной колбы, конденсируются и образуют темный металлический налет. Это объясняется процессом фазового перехода — переходом атомов из газообразного состояния в твердое при контакте с более холодной поверхностью.

$3)$ Сопротивление нити зависит от ее температуры, то есть $R=R(T),$ и при холодной нити (в момент включения) ее сопротивление значительно меньше, чем при рабочей высокой температуре. Поэтому при включении, когда к нити прикладывается напряжение $U,$ по ней проходит большой ток $I,$ оцененный законом Ома и законом Джоуля-Ленца: $I=\dfrac{U}{R}$ и полезная мощность нагрева $P=I^{2}R$ . Поскольку $R$ в момент включения мала, ток кратковременно велик, что может привести к локальному перегреву и механическому или термическому разрушению нити (в тонком месте нить может расплавиться).

$4)$ Накопившийся за длительную работу дефицит массы нити (из-за ее испарения) и образование тонких, слабо прочных участков усиливают вероятность разрыва именно в момент включения: при холодной низкоомной нити в разомкнувшемся тонком месте мгновенно появляется большая джоулева мощность, и нить перегорает.

$5)$ Если колбу заполняют тяжелым инертным газом (например, аргоном) или бросают в колбу инертный газ под небольшим давлением, диффузия атомов вольфрама к нити и их удаление с поверхности нити после выключения замедляется, а осаждение паров на нити и обратная депозиция на нее после выключения уменьшаются, что замедляет истощение нити и повышает срок службы лампы; в отличие от вакуума, заполнение инертным газом уменьшает скорость испарения и тем самым уменьшает образование налета на стенках и вероятность перегорания при включении.

Ответ: причина налета — испарение вольфрама с нагретой нити и последующая конденсация паров на холодных стенках колбы; причина перегорания при включении — низкое холодное сопротивление нити, приводящее к большому стартовому току $I=\dfrac{U}{R}$ и высокой временной мощности $P=I^{2}R,$ что при наличии истонченных участков нити вызывает ее разрыв