Номер 2, страница 290 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. С помощью программы «Начала электроники» выполните лабораторную работу «Принципы работы плавких предохранителей в электрических цепях».

Поскольку в задании требуется выполнить лабораторную работу с использованием специализированной программы «Начала электроники», к которой нет доступа, ниже приводится развернутое теоретическое описание и обобщенный порядок выполнения этой работы.

Теоретические основы

Плавкий предохранитель — это компонент электрической цепи, предназначенный для её защиты от чрезмерно высоких токов, которые могут возникнуть при перегрузке или коротком замыкании. Он представляет собой одноразовое устройство, которое разрывает цепь, выходя из строя, и тем самым спасает более дорогие и важные элементы схемы.

Принцип действия предохранителя основан на тепловом действии тока, известном как закон Джоуля-Ленца. Количество теплоты $\text{Q}$, выделяющееся в проводнике с сопротивлением $\text{R}$ за время $\text{t}$ при прохождении по нему тока силой $\text{I}$, определяется формулой:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

Ключевым элементом предохранителя является плавкая вставка — короткий и тонкий проводник, изготовленный из материала с низкой температурой плавления (например, сплавы свинца, олова, цинка). Размеры и материал вставки подобраны так, что при протекании тока, не превышающего номинальное значение, она нагревается незначительно. Однако, когда сила тока в цепи резко возрастает (сверхток), количество выделяемой теплоты $\text{Q}$ становится настолько большим, что температура вставки быстро достигает точки плавления. Проводник плавится, испаряется и разрывает электрическую цепь. Поток тока прекращается, предотвращая повреждение остального оборудования.

Цель работы

Экспериментально проверить принцип действия плавкого предохранителя и определить ток его срабатывания.

Оборудование и схема (виртуальные)

Для выполнения работы понадобится виртуальная среда, в которой можно собрать следующую схему: последовательно соединенные регулируемый источник постоянного напряжения, выключатель, амперметр, исследуемый плавкий предохранитель и нагрузка (например, лампа накаливания). Вольтметр можно подключить параллельно нагрузке для контроля напряжения.

Предполагаемый ход выполнения работы

1. Собрать электрическую цепь согласно описанной выше схеме.

2. Установить на источнике питания минимальное напряжение. Замкнуть цепь с помощью выключателя.

3. Зафиксировать начальные показания амперметра. Лампа должна гореть, что свидетельствует о целостности цепи. Ток должен быть существенно ниже номинала предохранителя.

4. Постепенно и плавно увеличивать напряжение источника питания. В соответствии с законом Ома ($I = U/R$), сила тока в цепи будет возрастать. Необходимо следить за показаниями амперметра.

5. Продолжать увеличивать напряжение до тех пор, пока предохранитель не сработает. В виртуальной среде это обычно сопровождается визуальным эффектом (вспышка, разрыв проводника). В момент срабатывания лампа погаснет, а показания амперметра упадут до нуля.

6. Записать значение силы тока, которое амперметр показывал непосредственно перед срабатыванием предохранителя. Это и есть экспериментально определенный ток срабатывания.

7. Сравнить полученный результат с номинальным током, указанным на предохранителе. Значения должны быть близки.

Выводы по итогам работы

В ходе выполнения работы можно убедиться, что плавкий предохранитель является эффективным средством защиты. Он срабатывает (разрывает цепь) при силе тока, близкой к его номинальному значению. Принцип его действия основан на фундаментальном физическом законе (закон Джоуля-Ленца), что обеспечивает надежность его работы. Таким образом, предохранители играют критически важную роль в обеспечении безопасности эксплуатации электрических и электронных устройств.

Ответ: В качестве решения представлена теоретическая база и подробный план выполнения лабораторной работы «Принципы работы плавких предохранителей в электрических цепях». Плавкий предохранитель защищает цепь от сверхтоков за счет расплавления специальной вставки под действием тепла, выделяемого током в соответствии с законом Джоуля-Ленца ($Q = I^2 \cdot R \cdot t$). Экспериментальная проверка заключается в плавном увеличении тока в цепи до момента срабатывания предохранителя и фиксации этого тока, который должен быть близок к номинальному значению предохранителя.