Номер 4, страница 84, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

4. Почему плавкий предохранитель выходит из строя раньше, чем любой другой участок цепи?

4. Плавкий предохранитель — это специальный элемент, предназначенный для защиты электрической цепи от повреждений, вызванных чрезмерно высоким током (перегрузкой или коротким замыканием). Он выходит из строя раньше других участков цепи, потому что он целенаправленно сконструирован как самое "слабое звено". Принцип его работы основан на тепловом действии электрического тока, которое описывается законом Джоуля-Ленца.

Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты $\text{Q}$, выделяющееся в проводнике за время $\text{t}$, пропорционально квадрату силы тока $\text{I}$ и сопротивлению проводника $\text{R}$: $Q = I^2Rt$.

Предохранитель включается в цепь последовательно, поэтому через него проходит тот же ток, что и через остальные защищаемые им элементы. Однако его конструкция имеет ключевые отличия:

1. Материал. Проволока в предохранителе (плавкая вставка) изготовлена из специального легкоплавкого сплава (например, на основе свинца или олова). Температура плавления этого сплава значительно ниже, чем температура плавления меди или алюминия, из которых сделаны провода в остальной части цепи. Например, температура плавления олова — около $232 \degree \text{C}$, а меди — $1083 \degree \text{C}$.

2. Поперечное сечение. Плавкая вставка обычно имеет гораздо меньшую площадь поперечного сечения (она тоньше), чем провода в цепи. Сопротивление проводника $\text{R}$ обратно пропорционально площади его поперечного сечения $\text{S}$ ($R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ — удельное сопротивление, а $\text{l}$ — длина). Следовательно, предохранитель имеет большее сопротивление по сравнению с аналогичным по длине участком обычного провода.

Когда сила тока в цепи превышает номинальное значение, количество выделяемой теплоты резко возрастает (пропорционально $I^2$). Из-за сочетания более высокого сопротивления и, что самое главное, низкой температуры плавления, плавкая вставка предохранителя очень быстро нагревается до точки плавления и разрывает цепь. Остальные элементы цепи, изготовленные из более тугоплавких материалов и имеющие большее сечение (меньшее сопротивление), просто не успевают нагреться до опасных для них температур.

Ответ: Плавкий предохранитель выходит из строя раньше других участков цепи, потому что он специально изготовлен из легкоплавкого материала и имеет малое поперечное сечение. Это приводит к тому, что при прохождении тока перегрузки, согласно закону Джоуля-Ленца ($Q=I^2Rt$), он нагревается до температуры плавления и разрывает цепь значительно быстрее, чем успевают опасно нагреться остальные, более массивные и тугоплавкие элементы цепи.