Номер 4, страница 150 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

4. Каковы последствия короткого замыкания цепи с малым внутренним сопротивлением источника?

4. Решение

Короткое замыкание (КЗ) — это режим работы электрической цепи, при котором сопротивление внешней нагрузки $R$ становится пренебрежимо малым ($R \to 0$).

Сила тока $I$ в полной цепи описывается законом Ома для полной цепи:

$I = \frac{\mathcal{E}}{R + r}$

где $\mathcal{E}$ — электродвижущая сила (ЭДС) источника, $R$ — сопротивление внешней цепи, а $r$ — внутреннее сопротивление источника.

В режиме короткого замыкания, когда $R \approx 0$, ток в цепи, называемый током короткого замыкания $I_{кз}$, достигает своего максимального значения:

$I_{кз} = \frac{\mathcal{E}}{0 + r} = \frac{\mathcal{E}}{r}$

Согласно условию, внутреннее сопротивление источника $r$ мало ($r \approx 0$). Это означает, что знаменатель в формуле для тока короткого замыкания очень близок к нулю, что приводит к возникновению чрезвычайно большого тока $I_{кз}$.

Основные последствия такого скачка тока:

1. Тепловое действие. В соответствии с законом Джоуля-Ленца, количество выделяемой теплоты $Q$ пропорционально квадрату силы тока ($Q \propto I^2$). Огромный ток КЗ вызывает интенсивный нагрев всех элементов цепи: проводов, соединений и самого источника тока. Это приводит к расплавлению проводников, возгоранию их изоляции и, как следствие, к пожару. Источник питания (батарея, аккумулятор, генератор) может быть необратимо поврежден или даже взорваться.

2. Электродинамическое действие. Большие токи создают сильные магнитные поля, которые порождают значительные механические силы (силы Ампера) между проводниками. Эти силы могут деформировать или разрушить части электроустановки, например, обмотки трансформаторов или генераторов.

3. Падение напряжения в сети. Напряжение на клеммах источника $U$ связано с ЭДС и током по формуле $U = \mathcal{E} - I \cdot r$. При коротком замыкании напряжение на выводах источника падает почти до нуля: $U_{кз} = \mathcal{E} - I_{кз} \cdot r = \mathcal{E} - \frac{\mathcal{E}}{r} \cdot r = 0$. Это приводит к отключению или сбою в работе всех других потребителей, подключенных к той же электрической сети.

Таким образом, короткое замыкание в цепи с источником малого внутреннего сопротивления является крайне опасным и разрушительным явлением.

Ответ:

Последствием короткого замыкания цепи с малым внутренним сопротивлением источника является резкое многократное возрастание силы тока в цепи. Это приводит к сильному нагреву и возможному плавлению проводов, воспламенению изоляции и возникновению пожара, а также к выходу из строя или разрушению источника тока. Кроме того, возникают большие электродинамические силы, способные механически повредить элементы цепи, и происходит резкое падение напряжения в сети.