Что такое предохранитель в физике

2. Предохранители

Как можно предотвратить короткое замыкание?
Для того чтобы предотвратить короткое замыкание, в цепях устанавливают специальные устройства — предохранители (рис. 1). Их назначение — отключать электроэнергию в случае, если ток возрастает больше допустимой величины.

Рис. \(1\). Предохранители

Самые простые предохранители делают из легкоплавкого материала.
Обрати внимание!
Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.

Несмотря на огромное количество различных конструкций, все плавкие предохранители работают по одному и тому же принципу — происходит перегорание заключённой внутри корпуса проволочки (рис. 2).

Рис. \(2\). Схема устройства предохранителя

В случае сильного возрастания тока проволочка практически мгновенно плавится, а цепь размыкается, прерывая ток. Плавкие предохранители являются одноразовыми электроприборами.
Данный вид предохранителей используется до сих пор в очень многих схемах, хотя постепенно их вытесняют автоматические предохранители (рис. 3).

Рис. \(3\). Автоматические предохранители
Обрати внимание!

Действие автоматического предохранителя основано не на плавлении, а на тепловом расширении тел при нагревании.

В современных жилищах автоматические предохранители располагают в подъездах, на площадках либо у входа в квартиру. Они лучше плавких предохранителей и предназначены выполнять ту же задачу. При этом автоматические пробки не нуждаются в замене.

Для того чтобы после устранения короткого замыкания снова включить электричество, нужно просто нажать на белую кнопку (красная служит для выключения) (рис. 4) или перекинуть вверх опустившийся при срабатывании предохранителя рычажок (см. рис. 3).

Рис. \(4\). Предохранитель с кнопкой
Условное изображение предохранителя на электрических схемах показано на рис. 5.
Рис. \(5\). Условное изображение

Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении его номинального тока, — тока, на который рассчитан предохранитель. Номинальное значение тока указано на предохранителе (рис. 6).

Основные сведения о предохранителях — зачем нужно устройство

Предохранитель — это коммутационное электромеханическое устройство, которое предназначено для защиты элементов систем распределения электричества и оборудования от перегрузов токов и от сверхтоков.

Предохранитель отключает электрическую цепь размыканием токоведущих частей под действием электрического тока, которое превышает допустимое значение.

Назначение и принцип действия

Предохранитель предназначен для пропускания рабочего тока и разрыва электрической цепи, то есть защиты электрооборудований и электрической сети от сверхтоков, которые возникают при коротком замыкании или при критических перегрузках. Он обеспечивает бесперебойную работу электрической цепи.

Предохранитель встраивается в разрыв электрической цепи (последовательно). Когда протекает сверхток, происходит нагрев плавкого элемента предохранителя и его расплавление с образованием электрической дуги. При погасании электрической дуги цепь оказывается разомкнутой. Плавкую вставку обычно заполняют специальным наполнителем (мелом, кварцевым песком) для отвода лишней теплоты и успешного гашения дуги. Во время процесса расплавления плавкого элемента происходит разрыв цепи и срабатывание предохранителя. Примечание 1

Когда предохранитель сработал, он подлежит замене, чтобы восстановить электроснабжение.

1. Время плавления плавкого элемента. Именно этот интервал определяет эффективность предохранителя, так как электрическая дуга вводит электрическую цепь в сопротивление, ограничивающее поступление тока, что, в свою очередь, уменьшает вредное воздействие на все элементы системы.
2. Время горения дуги.

У предохранителей имеется маркировка, которая может указать на диапазон защиты. Диапазон защиты обозначают двумя буквами: «а» — частичный и «g» — полный.

Далее проставляются прописные английские буквы в маркировке:

• G — универсальные предохранители для защиты кабелей, электродвигателей, трансформаторов;
• L — предохранители для распределительных устройств и кабелей;
• B — предохранители для горнодобывающих оборудований;
• F — предохранители для маломощных электрических цепей;
• M — предохранители для коммутирующих устройств и электромоторов;
• R — предохранители для полупроводниковых схем;
• S — предохранители с моментальным сгоранием и со средним временем срабатывания;
• Tr — предохранители для трансформаторов.

Классификация основных видов предохранителей

Предохранители по принципу действия и по способу разрыва электрической цепи делятся на 4 вида:

1. Предохранители с плавкой вставкой.

Такие предохранители имеют токопроводящий элемент, который расплавляется и испаряется под действием сверхтока. Этим обеспечивается разрыв электрической цепи и защита ее.

Плавкие вставки изготавливают из свинца, меди, цинка, железа. Работа проводника с плавкой вставкой под нормальным током обеспечивает хороший баланс температур между теплом, который выделяется на металле, и отводом тепла в окружающую среду. При превышении расчетной нагрузки такое равновесие разрушается.

Ускорение работы таких предохранителей обеспечивают специальные технические решения: уменьшение площади форм переменного сечения и использование металлургического эффекта.

Когда происходит разрыв электрической цепи, создается электрическая дуга, через который проходит сверхток до момента его погасания.

2. Предохранители электромеханической конструкции.

Такие предохранители основаны на автоматическом выключении. Их еще называют автоматами. Специальный датчик контролирует величину тока, и при его превышении автомат разрывает электрическую цепь.

3. Предохранители на основе электронных компонентов.

Такие предохранители защищают электрическую цепь бесконтактно на основе диодов, тиристоров или транзисторов.

Предохранитель контролирует величину тока и при его превышении затвор предохранителя запирается, тем самым отключает нагрузку. При этом устройство блокирует само себя.

4. Самовосстанавливающиеся предохранители.

Такие предохранители отличаются от предохранителей с плавкой вставкой многократным использованием. После сверхтока они сохраняют свою работоспособность.

Они состоят из полимерных материалов, имеющих положительный температурный коэффициент для электрического сопротивления. У них кристаллическая структура и при сверхтоке предохранитель переходит в аморфное состояние.

Достоинства и недостатки использования

• сто процентная вероятность срабатывания;
• скорость срабатывания;
• низкая стоимость.

• подлежит замене после разового использования;
• плохая защитная роль.

• многократное использование;
• быстродействующие;
• автоматическое выключение.

• быстродействие;
• работа при температуре более 100 градусов;
• защита при увеличении тока на 10% от нормы.

• сохранение работоспособности после сверхтока;
• отключение нагрузки;
• небольшой размер;
• стабильная работа;
• быстрота срабатывания.

Предохранители. Короткое замыкание

Любая электрическая цепь рассчитана на определенную максимально допустимую силу тока. Если по какой-то причине сила тока в цепи превышает это значение, то мы можем столкнуться с неприятными последствиями. Провода начинают так сильно нагреваться, что их изоляция воспламеняется. Это может привести к пожару.

Что может служить причиной значительного увеличения силы тока в цепи? Во-первых, это может произойти при одновременном включении мощных приборов. Во-вторых, причиной резкого увеличения силы тока в цепи может являться короткое замыкание.

На данном уроке вы узнаете, что называется коротким замыканием и как оно связано с увеличением силы тока в цепи, а также познакомитесь с новым устройством, обеспечивающим безопасность использования электроприборов, — предохранителем.

Короткое замыкание

Начнем с определения.

Короткое замыкание — это соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Такая ситуация может произойти при ремонте проводки, когда ток продолжает идти по цепи. Случайное соприкосновение с открытыми контактами приводит к короткому замыканию.

Мы уже сказали, что короткое замыкание является причиной резкого повышения силы тока в цепи. Чем объяснить, что при этом сила тока в цепи может достигнуть огромного значения?

Дело в том, что сопротивление проводника при коротком замыкании резко уменьшается. Вспомните закон Ома: $I = \frac$. При падении сопротивления сила тока увеличивается. При этом увеличение ее столь существенно, что провода накаляются и могут стать причиной пожара.

Короткое замыкание при соприкосновении с открытыми контактами

Рассмотрим подробнее, как происходит короткое замыкание. Как может произойти соприкосновение с открытыми контактами? Например, это произойдет, если засунуть в розетку шпильку для волос или другой металлический предмет (НЕ СЛЕДУЕТ ПРОВЕРЯТЬ ЭТО НА ПРАКТИКЕ).

Допустим, что сопротивление шпильки в 10 раз меньше, чем среднее сопротивление электроприборов, подключаемых к этой сети: ($R_1 = \frac$). По закону Ома сила тока в таком проводнике увеличится:
$I_1 = \frac = \frac<\frac> = \frac$.

То есть сила тока увеличится в 10 раз:
$I_1 = 10I$.

А теперь взглянем на закон Джоуля-Ленца и количество тепла, которое выделяет проводник (шпилька) с током:
$Q_1 = (10I)^2R_1t = (10I)^2 \fract = 10I^2Rt = 10Q$.

Получается, что количество теплоты тоже увеличится в 10 раз. В других ситуациях это увеличение может достигать и больших значений. Это как раз и способно привести к воспламенению.

Короткое замыкание при неисправностях проводки

Короткое замыкание может произойти и при повреждении проводов или их изоляции. Например, при подключении к сети электроприбора с подобными повреждениями.

Представьте, что вы включаете в розетку утюг мощностью $500 \space Вт$ (рисунок 1). Напряжение в розетке равно $220 \space В$.

Чему будет равна сила тока? По определению мощности тока: $P = UI$. Выразим отсюда силу тока и рассчитаем ее:
$I = \frac$,
$I = \frac \approx 2.3 \space А$.

Зная силу тока в утюге и напряжение, к которому он подключен, рассчитаем его сопротивление, используя закон Ома:
$I = \frac$,
$R = \frac$,
$R = \frac \approx 96 \space Ом$.

Сопротивление проводов при этом равно приблизительно $0.1 \space Ом$.

А теперь представьте, что провод утюга неисправен. Цепь замкнута и по ней течет ток, но он не протекает через утюг, а идет дальше по проводу до розетки — проходит путь AB (рисунок 2).

Возникает короткое замыкание. Сопротивление проводов очень мало по сравнению с сопротивлением утюга. Это приводит к резкому увеличению силы тока:
$I = \frac$,
$I = \frac = 2200 \space A$.

Это значение почти в 1000 раз больше, чем сила тока, возникающая при правильном подключении электроприбора в сеть. Это же и приводит к огромному увеличению количества тепла, выделяемого проводником, — он может начать плавиться или воспламениться.

Предохранители

Для предотвращения резкого увеличения силы тока в цепи существуют специальные приборы — предохранители.

Предохранитель — это устройство, которое сразу отключает линию, если сила тока оказывается больше допустимой нормы.

Так, предохранители присутствуют во всех электроприборах — они защищают приборы от выхода из строя.

Один из самых распространенных видов предохранителей изготавливается из медной проволоки, покрытой оловом (рисунок 3).

Такие предохранители устанавливаются на входе электроприборов. При повышении силы тока проволока плавится и цепь размыкается. Поэтому такие предохранители называются плавкими.

Зачастую используются предохранители, основанные на тепловом действии тока (рисунок 4). При нагревании провода расширяются. Реагируя на эти изменения, предохранитель выключается автоматически.

Вспомните выражение «вышибло пробки». Так говорят, когда предохранители автоматически отключаются с характерным щелчком, и часть приборов (или все) в квартире перестают работать. Это происходит при перегревании проводов, например при одновременном включении большого количества техники. Эти предохранители находятся на специальном щитке (на вводе проводов в квартиру).

Предохранители имеют свой условный знак для обозначения на схеме электрической цепи (рисунок 5).

Физика

Электрические цепи всегда рассчитаны на определённую силу тока. Если по этой или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция – воспламениться.

Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока (например, электрических плиток), или короткое замыкание.

Короткое замыкание

Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током или при случайном соприкосновении оголённых проводов.

Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители.

Защита электрической цепи. Предохранители

Назначение предохранителей – сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы. Они защищают электроприборы от выхода из строя при перегрузках в электрической сети. Внешний вид предохранителя показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид предохранителя

Все предохранители, какие бы они ни были, схематично обозначаются одним и тем же способом:

Рис. 2. Условное обозначение предохранителя на схеме

Это прямоугольник, через который пропускается проводник. Обратите внимание на то, что в данном случае этот проводник изолирован, то есть он тонкий, и он достаточно хорошо проводит электрический ток.

Предохранители устанавливают на входе электрических и радиоприборов и установок. Они обычно изготавливаются из медной проволоки, покрытой оловом. Если сила тока превысит допустимое значение, то проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой.

Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.

Предохранители, применяемые в квартирной проводке, располагают на специальном щитке, устанавливаемом у самого ввода проводов в квартиру. В каждый из проводов последовательно включают отдельный предохранитель.

На рис. 3 изображен предохранитель, действие которого основано не на плавлении, а на тепловом расширении тел при нагревании. При возникновении неисправности в цепи это устройство отключается автоматически.

Рис. 3. Тепловой автоматический предохранитель

Заключение

Необходимо отметить еще и то, что в любом случае человек, являясь проводником, должен очень осторожно и аккуратно обращаться с электрическими цепями. И хотя соблюдается полная защита предохранителями и разными схемами предохранения, тем не менее удар электрическим током может быть достаточно серьезным. Оголенная электрическая цепь очень опасна.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А. В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «Forca.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «Ivatv.narod.ru» (Источник)
4. Интернет-портал «Fiz.1september.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Объясните причины возникновения короткого замыкания.
2. Расскажите о защите от короткого замыкания.