物理教学中值得探讨的白炽灯灯丝熔断问题

梅砚君

(淄博实验中学 山东 淄博 255090)

白炽灯是照明电路中的最重要最常见的电器.灯泡的构造和使用中蕴含着许多物理知识，因而白炽灯也成为中学物理教学中常举的例子，尤其是白炽灯的灯丝烧断现象更是生活中的常见物理现象，是贴近学生生活、激发学生兴趣的好题材.在教材和教学中虽有所涉及，但不够全面和深入.在这里，笔者把此问题作一较全面的分析.

对于灯泡的灯丝易在开灯的一瞬间烧毁，一般的解释很简单：灯丝正常工作时的电阻是未接入电路时的10多倍，在开灯瞬间电流很大，实际功率高出额定功率的十余倍，故易烧毁.这种解释令人颇费推敲，乍一想似乎就是在开灯的一瞬间，电流很大，使灯丝温度急剧升高，一下子窜到3 000多摄氏度.达到了钨的熔点，将灯丝烧毁了.仔细一想又不妥，因为当灯丝整体温度升至2 000多摄氏度时，灯丝电阻已增大10多倍而进入正常工作状态，灯丝温度不会再继续升高到3 000多摄氏度.那么，灯丝为什么又会烧毁呢？这里面应有更深刻的原因.

实际上，我们细心观察一下，在正常电压下合格的灯泡，不论是在开灯瞬间烧毁，还是在工作过程中烧毁，其灯丝都是从某一处断开，尤其以烧断灯丝与接线柱的接头处为多，而绝无整体烧熔现象.这说明灯丝整体温度并没升至熔点，灯丝烧毁的现象是由于灯丝某处的升温过高所致.为什么会发生这种现象呢？这是因为在灯丝制作过程中不可能做到粗细均匀，细的部位电阻要大一些，再者灯丝与接线柱的接头处存在接触电阻.若因制作工艺不精细或接头处松动等原因造成这两处电阻过大，就埋下了灯丝被烧毁的隐患.根据焦耳定律和欧姆定律，在开灯瞬间，灯丝整体温度尚未升起时，过大的电流得不到有效的遏制，电阻较大的部位温度先升高，而温度的升高又导致该处的电阻变得更大，更大的电阻导致发热更多，如此形成恶性循环，最终使该处极易升至熔点而被烧毁.

我们也可以通过一个实验来验证：将1 000 W电炉丝的某一处用锉刀锉细一些，并将接头处安装得松一些，保持一个较大的接触电阻，然后接入电路.可以看到电炉丝较细处和接头处先发热变红，接头处有时还被烧得冒火花.电炉丝正常工作后，这两处也要比别处更亮一些，温度更高一些.实际使用中这两处总是比别的地方容易烧断.

作为应急措施，对烧断灯丝的白炽灯，重新搭好灯丝后，白炽灯可以继续使用，而且较以前更亮.如果再次烧断的话，最有可能烧断的地方在哪里呢？对于这个问题，有以下两种情况.

(1)若搭接处接触紧密，那么可能从接头以外的地方烧断.这是因为接头接触良好，此处电阻的横截面积将会增大，造成此处的电阻在相同长度上小于其他地方.可将接头处的灯丝电阻与其他相同长度的灯丝电阻看成串联，因为流过的电流相等，由焦耳定律可知，在相同时间内，接头以外的其他地方产生的热更多，温度升高较快，更容易达到熔点而熔断.一般这种情况较少.

(2)若搭接处接触较松，则可能从该处烧断.这是因为接头处较松，接触电阻大，因而该处电阻在相等长度上大于其他地方，与前述结果相反.由焦耳定律知，在相同时间里，接头处产生的热大于其他地方，这时可能从接头处烧断.实际中以此种情况居多.

由以上分析不难看出，若灯丝的制作达到粗细均匀，灯丝接头处很紧密，则开灯时，灯丝将均匀升温至正常发光，灯丝在开灯瞬间被烧毁的现象可以最大程度地避免.因此，灯丝制作是否粗细均匀，灯丝接头处是否紧密，是影响灯泡寿命的重要因素，应成为灯泡制造业的一项重要质量指标.

生活中，为了有效防止灯丝烧断，可以把白炽灯的开关改为可调节电流的开关.开灯之初，控制电流较小，让灯丝预热，温度升高、电阻增大后，再调到满亮度，这样就可以避免瞬间高温将灯丝烧断.也可以改变灯泡内的填充气体类型或采用其他办法，使灯丝周围散热加快，不让灯丝的能量聚集、升温过快，过高.

在物理教学中，巧妙地利用灯丝熔断问题将相关的知识点连接起来，对提高学生学习物理的兴趣会大有益处的.