"Физика", Перышкин А.В.
Короткое замыкание возникает, когда токопроводящие участки соединяются в обход потребителя, а сопротивление цепи резко уменьшается. При том же напряжении это приводит к сильному росту силы тока, опасному нагреванию проводов и возможному повреждению приборов. От чрезмерного тока цепь защищает предохранитель: он автоматически размыкает её. В плавком предохранителе для этого служит проволока, которая нагревается и расплавляется.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Короткое замыкание — соединение участков электрической цепи с очень малым сопротивлением. При таком соединении ток может пройти в обход потребителя, например через место, где повреждена изоляция проводов. Сопротивление на этом участке становится намного меньше обычного. Поэтому ток в цепи резко возрастает.
Сила тока короткого замыкания — это сила тока, возникающего при коротком замыкании. Её можно найти по закону Ома: I = U/R, где U — напряжение источника, а R — сопротивление замкнутой цепи. Чем меньше R при том же U, тем больше I. При расчёте учитывают сопротивление источника и проводов, которые остаются в цепи.
Предохранитель — устройство, которое автоматически размыкает электрическую цепь, если сила тока становится чрезмерной. Пока ток не превышает допустимое значение, цепь остаётся замкнутой. При опасном токе предохранитель прекращает его прохождение. Так он защищает провода и приборы от перегрева.
Плавкий предохранитель — предохранитель с тонкой проволокой, которая нагревается при прохождении тока и плавится при чрезмерном нагревании. Расплавившаяся проволока разрывает цепь, поэтому ток прекращается. Её подбирают так, чтобы при обычной работе прибора она не плавилась. Это позволяет защите не мешать нормальной работе и сработать при опасности.
Короткое замыкание появляется, когда токопроводящие части соединяются напрямую, минуя потребитель. Например, из-за повреждения изоляции оголённые проводники могут соприкоснуться. В нормальной цепи ток проходит через прибор, сопротивление которого ограничивает его величину. При обходном пути эта часть цепи исключается, поэтому условия прохождения тока меняются.
Сопротивление цепи при коротком замыкании становится очень малым, а напряжение источника обычно не успевает заметно измениться. По закону Ома I = U/R уменьшение знаменателя приводит к увеличению силы тока. В настоящей цепи сопротивление не исчезает совсем: остаются сопротивления источника и соединительных проводов. Даже с учётом этих сопротивлений ток может оказаться во много раз больше рабочего.
Большой ток опасен потому, что проводники нагреваются при прохождении по ним электрического тока. Чем больше сила тока, тем сильнее нагревание провода. Изоляция может расплавиться, детали прибора — повредиться, а нагретые части способны вызвать пожар. Поэтому короткое замыкание нельзя считать безобидным только потому, что ток нашёл короткий путь.
Предохранитель включают последовательно в защищаемую цепь: тогда через него проходит тот же ток, что и через прибор. Если ток превысит допустимое значение, предохранитель разомкнёт цепь и ток перестанет течь. При параллельном включении отключение одного элемента не обязательно прервало бы ток через остальную цепь. Последовательное соединение позволяет предохранителю остановить ток во всей защищаемой ветви.
В плавком предохранителе ток нагревает тонкую проволоку, а при чрезмерной силе тока её температура становится достаточно высокой для плавления. После разрыва проволоки электрический путь прерывается. Материал и толщину проволоки выбирают так, чтобы при нормальном токе нагрев не расплавлял её. При опасном токе проволока должна перегореть раньше, чем успеют сильно нагреться защищаемые провода и прибор.
Сравните строки таблицы по трём признакам: как меняется сопротивление, что происходит с током и к чему это приводит. Так видно, почему короткое замыкание опасно и какую роль играет предохранитель. В нормальном режиме защита не должна мешать работе прибора.
| Ситуация или устройство | Что происходит с сопротивлением и током | Последствие или назначение |
|---|---|---|
| Нормальная работа цепи | Сопротивление соответствует подключённым приборам, ток остаётся в допустимых пределах. | Прибор работает штатно, опасного перегрева нет. |
| Короткое замыкание | Сопротивление резко уменьшается, а сила тока возрастает. | Провода и приборы могут перегреться и повредиться. |
| Срабатывание плавкого предохранителя | Проволока нагревается, плавится и разрывает цепь; ток прекращается. | Цепь отключается и защищается от чрезмерного тока. |
К резистору сопротивлением 12 Ом подключён источник напряжением 6 В. Найдите силу тока в цепи. Здесь известны напряжение и сопротивление одного участка, поэтому достаточно применить закон Ома. Перед вычислением запишем данные и выберем формулу.
Источник напряжением 4,5 В замкнули накоротко; сопротивление источника и проводов равно 0,5 Ом. Какова сила тока короткого замыкания? Потребитель в этой цепи обойдён, однако сопротивления источника и проводов сохраняются. Поэтому в формулу нужно подставить именно оставшееся сопротивление.
При напряжении 220 В электроприбор мощностью 1100 Вт работает в обычном режиме. Определите силу тока и выберите предохранитель из вариантов 3 А, 5 А и 10 А, если номинал должен быть немного выше рабочего тока. Сначала найдём ток по формуле мощности, затем сравним его с предложенными номиналами. Подходящий предохранитель не должен отключать исправный прибор при обычной работе.
Ошибка: считать сопротивление при коротком замыкании строго равным нулю. Так рассуждают, потому что говорят о прямом соединении проводов, но в реальной цепи остаются сопротивления источника и проводов. Проверьте себя: если для расчёта даны эти сопротивления, их нужно учитывать и вычислять конечный ток по формуле I = U/R.
Ошибка: думать, что короткое замыкание уменьшает ток, поскольку путь для него стал короче. Путают длину пути с сопротивлением всей цепи, хотя решающим здесь становится резкое уменьшение сопротивления. Проверьте направление изменения величин по закону Ома: при неизменном напряжении меньшее R означает больший I.
Ошибка: ставить предохранитель параллельно потребителю. Такое решение кажется удобным, если считать, что предохранитель должен находиться рядом с прибором, но расположение рядом не означает параллельное соединение. Чтобы при срабатывании прервать ток через защищаемую цепь, предохранитель включают последовательно.
Ошибка: выбирать предохранитель с номиналом ниже рабочего тока прибора. Тогда его плавкая проволока может перегореть даже при нормальной работе. Иногда меньший номинал ошибочно считают более надёжной защитой, однако прибор останется без питания без опасного превышения тока. Сравните номинал с рассчитанным рабочим током: он должен быть немного выше.
Для понимания короткого замыкания нужно знать закон Ома для участка цепи и связь силы тока с напряжением и сопротивлением. Именно эта зависимость объясняет, почему уменьшение сопротивления вызывает рост тока. При решении задач на выбор предохранителя полезна также формула мощности P = UI. Тема связана с нагреванием проводников током: чрезмерный нагрев и объясняет необходимость защиты.
Эти знания применимы при изучении электрической мощности и при обсуждении безопасного обращения с бытовыми электроприборами. Они помогают понять, почему нельзя игнорировать повреждённую изоляцию и почему нельзя заменять предохранитель случайным материалом. Правильно выбранная защита должна допускать рабочий ток и отключать цепь при его опасном превышении.
Почему при коротком замыкании сила тока резко возрастает?
Ток при неизменном напряжении зависит от сопротивления: чем оно меньше, тем больше сила тока. При коротком замыкании потребитель оказывается обойдён, а сопротивление цепи резко уменьшается.
Может ли короткое замыкание произойти в исправном приборе?
Обычно короткое замыкание возникает из-за повреждения изоляции или неправильного соединения проводов. В исправном и правильно подключённом приборе такой неисправности быть не должно, но повреждение или износ могут привести к ней.
Почему провода нагреваются при слишком большой силе тока?
Ток проходит через провод, имеющий сопротивление, и нагревает его. Чем больше сила тока, тем сильнее нагревание; поэтому чрезмерный ток может повредить изоляцию и вызвать пожар.
Как предохранитель прекращает ток в цепи?
Предохранитель включают последовательно с защищаемой цепью. При чрезмерном токе он размыкает её, а в плавком предохранителе проволока нагревается и расплавляется, прекращая прохождение тока.
Почему нельзя заменять предохранитель проволокой или фольгой?
Проволока или фольга могут не расплавиться при опасном токе и не разомкнуть цепь. Тогда провода и приборы продолжат нагреваться, что может привести к повреждению оборудования или пожару.
§ 56 Короткое замыкание. Предохранители
