3. Короткое замыкание и предохранители

Определения и обозначения

Короткое замыкание — соединение участков цепи с очень малым сопротивлением, из-за которого сила тока резко возрастает. Например, ток может пойти не через прибор, а по случайному металлическому пути. Это понятие помогает отличить опасную неисправность от обычной работы цепи.

Ток короткого замыкания — чрезмерно большой ток, возникающий при коротком замыкании. Его находят по закону Ома: I = U/R, где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление. Такой ток нужен для оценки опасности и выбора защиты.

Предохранитель — устройство, автоматически размыкающее электрическую цепь при опасном увеличении силы тока. Он не исправляет повреждение, а прекращает прохождение тока. Поэтому предохранитель защищает провода и приборы от перегрева.

Плавкая вставка — часть предохранителя, которая расплавляется и разрывает цепь при превышении допустимого тока. Её изготавливают из материала с подходящими свойствами и делают достаточно тонкой. Благодаря этому вставка срабатывает раньше основных проводов.

Как это устроено

В исправной цепи ток проходит через предусмотренные элементы: источник, провода и прибор. Каждый элемент имеет сопротивление, поэтому ток ограничен значением I = U/R. При коротком замыкании часть цепи, например прибор, оказывается обходным путём соединена проводником с очень малым сопротивлением. Общее сопротивление внешнего участка резко уменьшается, потому что ток выбирает путь, по которому ему легче проходить.

Закон Ома объясняет дальнейшее изменение тока. Если напряжение источника почти не изменилось, а сопротивление стало во много раз меньше, отношение U/R становится намного больше. Поэтому ток короткого замыкания может многократно превосходить рабочий ток прибора. Реальное значение ограничивают сопротивление проводов, внутреннее сопротивление источника и контактов, но оно всё равно может быть опасным.

При прохождении тока проводник нагревается: электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию. Чем больше сила тока, тем быстрее выделяется тепло; при прочих равных условиях нагрев пропорционален квадрату силы тока. Изоляция может размягчиться, обуглиться или расплавиться, а нагретые детали способны воспламенить окружающие материалы. Поэтому короткое замыкание опасно не только для прибора, но и для всей электрической сети.

Плавкий предохранитель состоит из корпуса, контактов и плавкой вставки. Вставку подбирают так, чтобы при токе выше допустимого она нагревалась до температуры плавления раньше проводов защищаемой цепи. Это достигается выбором материала и небольшого поперечного сечения вставки. Пока ток нормальный, она остаётся целой и проводит электричество.

Когда ток становится опасным, вставка расплавляется, в ней появляется разрыв, и цепь перестаёт быть замкнутой. Ток прекращается, поэтому дальнейший нагрев проводов не продолжается. Предохранитель не устраняет короткое замыкание или перегрузку: он только ограничивает последствия неисправности. После срабатывания нужно найти причину, устранить её и заменить вставку или весь предохранитель на подходящий.

Обычный режим работы, перегрузка и короткое замыкание

Сравнивайте состояния по сопротивлению, току и нагреву: это позволяет понять, почему срабатывает защита. Перегрузка и короткое замыкание различаются причиной, хотя оба режима могут быть опасными. Номинал предохранителя выбирают так, чтобы он выдерживал нормальную работу, но размыкал цепь при опасном превышении тока.

Разбор задач

Задача 1

Цепь сопротивлением 12 Ом подключена к источнику напряжением 24 В. Нужно определить силу тока и понять, является ли режим коротким замыканием. Сначала используем сопротивление именно этой исправной цепи, потому что оно дано в условии.

1. Запишем закон Ома: I = U/R.
2. Подставим значения: I = 24 В / 12 Ом = 2 А.
3. Сопротивление 12 Ом не является очень малым для данного участка, поэтому одного большого тока здесь нет.

Ответ: сила тока равна 2 А; по приведённым данным режим не является коротким замыканием. Окончательно допустимость тока сравнивают с характеристиками конкретной цепи.

Задача 2

Напряжение источника равно 220 В, а сопротивление участка при коротком замыкании уменьшилось до 0,5 Ом. Нужно найти ток и объяснить опасность. В расчёте берём именно малое сопротивление участка короткого замыкания.

1. Применим закон Ома: I = U/R.
2. Вычислим: I = 220 В / 0,5 Ом = 440 А.
3. Такой ток намного больше обычного рабочего, поэтому проводники будут быстро нагреваться.

Ответ: ток короткого замыкания равен 440 А. Он может повредить изоляцию, вызвать оплавление проводов и пожар, если защита не разорвёт цепь.

Задача 3

Прибор потребляет 3 А, а во время запуска ток кратковременно достигает 4 А. Даны предохранители на 2, 4 и 6 А. Нужно выбрать минимальный номинал, который не будет мешать нормальной работе.

1. Предохранитель на 2 А не подходит: он может сработать даже при обычном токе 3 А.
2. Предохранитель на 4 А пропускает рабочие 3 А и рассчитан на кратковременный пуск до 4 А.
3. Предохранитель на 6 А тоже выдержит ток, но его номинал избыточен и защита будет менее чувствительной.

Ответ: выбираем предохранитель на 4 А. Это минимальный подходящий номинал из предложенных, но на практике учитывают точные характеристики устройства и время срабатывания.

Типичные ошибки

Считать коротким замыканием любое увеличение силы тока — ошибка. Перегрузка тоже повышает ток, но при ней сопротивление не обязательно становится почти нулевым. Проверьте себя: ищите в условии или описании случайный путь с очень малым сопротивлением.

Иногда в формулу подставляют сопротивление исправного прибора, хотя при коротком замыкании ток идёт в обход него. Из-за этого получается неправильный, слишком маленький ток. Сначала определите, какой участок фактически соединён коротким проводником.

Замена предохранителя проволокой или большим номиналом опасна, хотя кажется удобной. Такая замена лишает цепь рассчитанной защиты и позволяет проводам перегреваться. Проверка проста: номинал должен соответствовать цепи, а самодельная перемычка недопустима.

Нельзя думать, что сработавший предохранитель устранил причину неисправности. Он только разорвал цепь, поэтому короткое замыкание или перегрузка могут сохраниться. Перед повторным включением найдите повреждение и устраните его.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны закон Ома для участка цепи, зависимость силы тока от напряжения и сопротивления, а также знания о тепловом действии тока. Эти идеи объясняют и величину тока, и нагрев плавкой вставки.

Тема пригодится при изучении электрической мощности, бытовой электробезопасности, автоматических выключателей и устройства электрических сетей. Предохранитель и автоматический выключатель работают по разным принципам, но выполняют общую защитную задачу.

Что запомнить

• При коротком замыкании сопротивление участка цепи становится очень малым.
• Чем меньше сопротивление при постоянном напряжении, тем больше сила тока.
• Большой ток вызывает сильный нагрев проводников.
• Предохранитель размыкает цепь при превышении допустимой силы тока.
• Плавкая вставка предохранителя расплавляется из-за теплового действия тока.
• Нельзя заменять предохранитель проволокой или устройством с большим номиналом.
• После срабатывания предохранителя нужно устранить причину неисправности.