Физика короткое замыкание: Физика 8 класс. Короткое замыкание. Предохранители :: Класс!ная физика

Содержание

Короткое замыкание – Практическая электроника

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (КЗ, англ. short curcuit) — незапланированное соединение точек цепи с различными потенциалами друг с другом или с другими электрическими цепями через пренебрежимо малое сопротивление. При этом образуется сверхток, значения которого на порядки превышают предусмотренные нормальными условиями работы.

Определение КЗ из «Элементарного учебника физики» Ландсберга

В результате короткого замыкания выходит из строя электрооборудование, происходят возгорания. О самых разрушительных последствиях коротких замыканий мы регулярно узнаем из новостных рубрик «Чрезвычайные происшествия». Что же именно происходит при КЗ? В результате чего они появляются? Какими могут быть последствия? Давайте рассмотрим подробнее эти и другие вопросы в приведенной ниже статье.

Как образуется короткое замыкание

Как мы помним из учебника физики за 8 класс, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:

где

I — сила тока в цепи, А

U — напряжение, В

R — сопротивление, Ом

Давайте рассмотрим вот такую схему

Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.

А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ

Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?

В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления — меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:

Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.

Закон Джоуля-Ленца

Согласно закону Джоуля-Ленца, тепловое действие тока прямо пропорционально квадрату силы тока на данном участке электрической цепи

где

Q — это количество теплоты, которое выделяется на сопротивлении нагрузки R_н. Выражается в Джоулях. 1 Джоуль = 1 Ватт х секунда.

I — сила тока в этой цепи, А

R_н — сопротивление нагрузки, Ом

t — период времени, в течение которого происходит выделение теплоты на нагрузке R_н , секунды

Это означает, что на проводе AB будет выделяться бешеное количество теплоты. Провод резко нагреется от температуры, а потом и сгорит. Все зависит от мощности источника питания.

То есть, если ток при коротком замыкании возрастет в 20 раз, то количество выделяющейся при этом теплоты — примерно в 400 раз! Вот почему бывшая еще мгновение назад мирной электроэнергия превращается в настоящее стихийное бедствие: горит проводка, расплавленный металл проводов поджигает находящиеся рядом предметы, возникают пожары.

Существуют еще запланированные и контролируемые КЗ, а также специальное замыкающее оборудование. Например, сварочные аппараты работают как раз на контролируемом КЗ, где требуется большая сила тока для плавки металла.

Основные причины короткого замыкания

Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:

Нарушение изоляции
Внешние воздействия
Перегрузка сети

Нарушение изоляции вызывается как естественным износом, так и внешним вмешательством. Естественное старение элементов электросети ускоряется за счет длительного теплового воздействия тока (тепловое старение изоляции), агрессивных химических сред.

Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть «кривой» электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.

Намного чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если совокупная мощность одновременно включенных в бытовую сеть электроприборов превышает допустимую нагрузку на проводку, с большой вероятностью произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимое значение. Такое явление можно часто наблюдать в домах со старой проводкой, где провода чаще всего алюминиевые и не рассчитаны на современные мощные электроприборы.

Ток короткого замыкания

Сверхток, образующийся в результате КЗ, называется током короткого замыкания. Как только произошло короткое замыкание в цепи, ток короткого замыкания достигает максимальных значений. После того, как провода начнут греться и плавиться, ток короткого замыкания идет на спад, так как сопротивление проводов в при нагреве возрастает.

Для источников ЭДС ток короткого замыкания может быть вычислен по формуле

где

I_кз — это ток короткого замыкания, А

E — ЭДС источника питания, В

R_внутр. — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Более подробно про ЭДС и внутреннее сопротивление читайте здесь.

Ниже на рисунке как раз изображен такой источник ЭДС в виде автомобильного аккумулятора с замкнутыми клеммами

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать значений в доли Ома. Теперь представьте, какой ток короткого замыкания будет течь через проводник, если закоротить им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов. Возьмем среднее значение R_внутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен I_кз =E/R_внутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.

Виды коротких замыканий

В цепи постоянного тока

В этом случае КЗ бывает, как правило, между напряжением питания, которое чаще всего обозначается как «+», и общим проводом схемы, который соединяют с «-«. Последствия такого КЗ зависят от мощности источника питания постоянного тока. Если в автомобиле голый плюсовой провод заденет корпус автомобиля, который соединяется с «минусом» аккумулятора, то провода начнут плавится и гореть как спички, при условии если не сработает предохранитель, либо вместо него уже стоит «жучок» — самопальный предохранитель. Ниже на фото вы можете увидеть результат такого КЗ.

В цепи переменного тока

Трехфазное замыкание

Это когда три фазных провода коротнули между собой.

Трехфазное на землю

Здесь все три фазы соединены между собой, да еще и замкнуты на землю

Двухфазное

В этом случае любые две фазы замкнуты между собой

Двухфазное на землю

Любые две фазы замкнуты между собой, да еще и замкнуты на землю

Однофазное на землю

Однофазное на ноль

Эти две ситуации чаще всего бывают в ваших квартирах и домах, так как к простым потребителям идет два провода: фаза и ноль.

В трехфазных сетях наиболее часто происходит однофазное замыкание на землю — 60-70% всех коротких замыканий. Двухфазные КЗ составляют 20-25%. Двойное замыкание фаз на землю происходит в электросетях с изолированной нейтралью и составляет 10-15% всех случаев. До 3-5% занимают трехфазные КЗ, при которых происходит нарушение изоляции между всеми тремя фазами.

В электрических двигателях короткое замыкание чаще всего возникает между обмотками двигателя и его корпусом.

Последствия короткого замыкания

Во время КЗ температура в зоне контакта возрастает до нескольких тысяч градусов. Помимо воспламенения изоляции, расплавления и механических повреждений выключателей и розеток и возгорания проводки, следствием замыкания может стать выход из строя компьютерного и телекоммуникационного оборудования и линий связи, которые находятся рядом, вследствие сильного электромагнитного воздействия.

Но падение напряжения и выход из строя оборудования — не самое опасное последствие. Нередко короткие замыкания становятся причиной разрушительных пожаров, зачастую с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями.

Из-за удаленности и большого сопротивления до места замыкания защитное оборудование может не сработать. Бывают ситуации, когда ток недостаточен для срабатывания защиты и отключения напряжения, но в месте КЗ его вполне хватает для расплавления проводов и возникновения источников возгорания. Поэтому, токи коротких замыканий очень важны для расчетов аварийных режимов работы.

Меры, исключающие короткое замыкание

Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.

Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами

вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях

А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов

Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа — трехфазный

Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.

В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:

Плавкие предохранители (применяются в том числе в бытовых электроприборах).
Автоматические выключатели.
Стабилизаторы напряжения.
Устройства дифференциального тока.

Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.

В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:

Устройствами релейной защиты и другим отключающим оборудованием.
Понижающими трансформаторами.
Распараллеливанием цепей.
Токоограничивающими реакторами.

Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.

Предохранители. Короткое замыкание | 8 класс

Содержание

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.

{"questions":[{"content":"Резкое увеличение значения какой величины может привести к воспламенению проводки?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Силы тока","Сопротивления","Работы тока","Удельного сопротивления"],"answer":[0]}}}]}

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: $I = \frac{U}{R}$. При падении сопротивления сила тока увеличивается. При этом увеличение ее столь существенно, что провода накаляются и могут стать причиной пожара.

{"questions":[{"content":"При коротком замыкании происходит резкое[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["увеличение силы тока","увеличение сопротивления участка цепи","уменьшение силы тока","увеличение напряжения на концах участка цепи"],"answer":[0]}}}]}

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: ($R_1 = \frac{R}{10}$). По закону Ома сила тока в таком проводнике увеличится:
$I_1 = \frac{U}{R_1} = \frac{U}{\frac{R}{10}} = \frac{10U}{R}$. 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.

{"questions":[{"content":"При коротком замыкании резко увеличивается не только сила тока, но и [[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["количество теплоты, выделяемое проводником","сопротивление проводника","напряжение на концах участка цепи"],"answer":[0]}}}]}

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:
$I = \frac{P}{U}$,
$I = \frac{500 \space Вт}{220 \space В} \approx 2. 3 \space А$.

Зная силу тока в утюге и напряжение, к которому он подключен, рассчитаем его сопротивление, используя закон Ома:
$I = \frac{U}{R}$,
$R = \frac{U}{I}$,
$R = \frac{220 \space В}{2.3 \space A} \approx 96 \space Ом$.

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:
$I = \frac{U}{R}$,
$I = \frac{220 \space В}{0.1 \space Ом} = 2200 \space A$.

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.

{"questions":[{"content":"Короткое замыкание может произойти при[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["наличии повреждений проводов или их изоляции","соприкосновении с открытыми контактами другого проводника","подключении к сети большого количества мощных приборов","использовании проводником с большим удельным сопротивлением"],"explanations":["","","Это одна из причин резкого увеличения тока наравне с коротким замыканием.","Короткое замыкание является причиной резкого увеличения силы тока в цепи. При использовании проводников с большим удельным сопротивлением сила тока, наоборот, уменьшится."],"answer":[0]}}}]}

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).

{"questions":[{"content":"Предохранители служат для[[choice-24]]","widgets":{"choice-24":{"type":"choice","options":["своевремнного размыкания цепи при резком увеличении силы тока","замыкания цепи при резком увеличении силы тока","охлаждения нагретых током проводников"],"answer":[0]}}}]}

Короткое замыкание: научная деятельность в области физики и электричества

Ток, протекающий по проводу, нагревает провод. Длина провода влияет на его сопротивление, которое определяет, какой ток протекает по проводу и насколько он нагревается.

Примечание. Электричество может сильно нагреть! Провода в этой закуске могут сильно нагреться, так что будьте осторожны.

Тема:

Инженерия и технологии

Реальные проблемы и решения

Physics

Electricity & Magnetism

Heat & Temperature

Keywords:

circuit

current

NGSS and EP&Cs:

PS1

PS3

ETS

ETS1

CCCs

Cause and Эффект

Энергия и материя

Структура и функция

Инструменты и материалы

Примечание о материалах для этой закуски: плетеная медная проволока и алюминиевая проволока здесь не подойдут.

Железная проволока может работать, но обычно недоступна. Обязательно держитесь подальше от проволоки с пластиковым покрытием, которая может обжечься, если нагреется.

Отрезок медного провода с зажимами типа «крокодил», прикрепленными к каждому концу (или тестовый провод) из любого магазина электроники.
Свежий аккумулятор для фонаря на 6 или 12 вольт.
Очень тонкая стальная проволока длиной от 5 до 6 дюймов (от 13 до 15 см), полученная путем отделения одной жилы от обычной плетеной оцинкованной проволоки для подвешивания картин.

Сборка

Присоедините один конец зажима к одной из клемм аккумулятора.
Присоедините один конец тонкой стальной проволоки к другой клемме.

Присоедините другой конец зажима к другому концу стальной проволоки, поместив зажим как можно дальше от клеммы. (Нажмите на схему ниже, чтобы увеличить ее.)

Действия и уведомления

Понаблюдайте, что происходит со стальной проволокой после того, как вы подсоедините зажим. Переместите зажим на стальной проволоке немного ближе к аккумулятору и посмотрите, что произойдет. Продолжайте приближать поводок, пока не увидите окончательный драматический результат. (Будьте осторожны! Стальная проволока сильно нагревается!)

Что происходит?

Тонкая стальная проволока является хорошим проводником электричества, но не таким хорошим, как медная проволока, которая намеренно выбрана так, чтобы иметь очень низкое сопротивление. Таким образом, большая часть сопротивления цепи находится в стальной проволоке.

Когда вы подсоединяете зажим к стальной проволоке, напряжение батареи выталкивает электроны через цепь, преодолевая сопротивление стальной проволоки, в результате чего стальная проволока нагревается. По мере приближения зажима к аккумулятору сопротивление стальной проволоки уменьшается. Поскольку одно и то же напряжение прикладывается к меньшему сопротивлению, течет больший ток, и провод сильнее нагревается. В конце концов, когда вы делаете стальную проволоку достаточно короткой, по ней течет такой сильный ток, что он расплавляет проволоку.

В обычной электрической цепи электрический ток питает такие устройства, как холодильник или телевизор. Каждый такой прибор имеет определенное сопротивление протеканию тока, которое не позволяет току достигать очень больших значений. Короткое замыкание происходит, когда ток находит способ обойти устройство по пути с небольшим сопротивлением или вообще без сопротивления, например, когда изношенная изоляция оголяет провод и позволяет ему касаться корпуса устройства, поэтому ток может течь прямо. на землю. В этой ситуации может возникнуть очень большой ток, производящий много тепла и опасность пожара.

Хотя сегодня в домах вместо предохранителей часто стоят автоматические выключатели, предохранители все еще есть. Плавкий предохранитель содержит тонкую полоску проволоки, чем-то напоминающую тонкую стальную проволоку в нашем эксперименте. Ток, который идет к приборам, также должен проходить через эту полоску провода. Если происходит короткое замыкание или даже если к одному проводу подключается слишком много приборов, так что течет слишком большой ток, провод в предохранителе быстро нагревается и плавится, разрывая цепь и предотвращая возгорание.

Дальше

Попробуйте эту закуску с кусочками алюминиевой фольги шириной 1/4 дюйма (6 мм) и длиной 6 дюймов (15 см) вместо тонкой стальной проволоки. Обратите внимание на яркие цвета слоев оксида алюминия, образующихся при нагревании алюминия.

Киберфизика – Короткое замыкание

Короткое замыкание Схемы

Вы необходимо знать о последствиях и опасностях коротких замыканий как на KS3, и ЕГЭ. На уровне «А» нужно понимать, почему компоненты получают так мало текущий. Объяснение см. ниже.

Короткое замыкание — низкий уровень путь сопротивления для тока, чтобы следовать. Он позволяет большинству ток течет по этому простому маршруту, и очень мало затем течет через компонент, который он «коротко замыкает». Вы увидите закороченные лампочки, гаснет» или становится намного тусклее, моторы перестают вращаться, а динамики прекратить издавать звук.

Здесь мы измеряем падение напряжения на каждой лампочке. Они имеют одинаковое сопротивление последовательно, поэтому они делят напряжение от источника питания и получают по 4,5 В каждый.

Здесь одна лампочка «закорочена». Он подключен параллельно жиле провода, и поэтому комбинация лампочки и провода, имеющая очень низкое общее сопротивление, практически не получает никакой доли напряжения. Поэтому она «гаснет» и вообще не загорается.

Другая лампочка получает почти все напряжение от батареи, поэтому она ярче, чем две в предыдущей схеме. Падение напряжения на нем измеряет полные 9V на вольтметре.

Короткое замыкание может вызвать очень высокие токи, протекающие в источниках питания или в проводке, которые не рассчитан на такую нагрузку. Это может привести к сильному нагреву проводов и созданию пожарной опасности. Возможно повреждение компонентов.

Цепи обычно имеют предохранитель включены, которые «взорвутся», если «короткое замыкание» приведет к протеканию слишком большого тока. Большой ток приводит к плавлению плавкой проволоки, что приводит к образованию разрыва в цепь, разорвав соединение и остановив ток до происходит пожар или сгорает дорогостоящий компонент. Поэтому предохранитель защищают устройство и помогают предотвратить риск возгорания.

Замыкание из ячейки или батареи

Если вы закорачиваете элемент или аккумулятор, замыкается вся цепь.

очень через закорачивающий провод протекает сильный ток, и практически ничего не проходит. через компоненты. Все лампочки и т. д. вряд ли получат ток через них. Закорачивающий провод и батарея будут очень горячими!

Попробуйте “закоротить” компоненты на зажимах Croc……

Почему случаются ли «короткие замыкания»?

Когда компоненты соединены параллельно, комбинация имеет более низкое сопротивление, чем любой из одинокие компоненты.

Итак, если компонент параллелен детали проводящего провода комбинация закороченных компонентов имеет меньшее сопротивление чем компонент или кусок провода в отдельности, и, следовательно, закороченный компонент является частью комбинации, которая имеет меньшее сопротивление, чем соединительный провод! получить очень небольшую долю напряжения в жиле (если только она не находится на свое собственное . … тогда оно все равно получает много!).

Если лампа последовательно с другими закорочено, как будто не подключено в прядь совсем. Он практически не получает доли потенциального падения от батареи. и поэтому ток очень маленький и он не загорается. Ток в цепи увеличится (поскольку сопротивление жилы уменьшилось) и поэтому другие лампочки загорятся ярче (как если бы не было подключено вообще в).

Если лампочка сама по себе в нити закорочено, она по-прежнему получает полное падение потенциала от батарея, но при таком параллельном расположении большая часть большого тока, потребляемого от батареи, протекает через нить с наименьшим сопротивлением – закорачивающий провод. Провод получает львиную долю, а компоненту практически ничего не достается, а энергия от аккумулятора быстро разряжается. Течет такой большой ток, что батарея и провода сильно нагреваются. Это может привести к пожару! Если вы короткие из одного компонента при подключении к лабораторному пакету защитный выключатель «отключится», предотвращая возникновение проблемы из-за опасно высокого тока.