Номер 1.2, страница 4 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 1. Электрический ток. Сила тока. Сопротивление проводника - номер 1.2, страница 4.

Условие.

1.2. С какой целью на стыках рельсов электрифицированных железных дорог делают толстые перемычки из медного провода?

Решение.

На электрифицированных железных дорогах рельсы являются частью электрической цепи: по ним протекает обратный тяговый ток от электровоза к тяговой подстанции. Рельсовый путь не является сплошным, он состоит из отдельных секций, соединенных на стыках.

Механические соединения на стыках рельсов (накладки и болты) не обеспечивают надежного электрического контакта. Из-за наличия зазоров (необходимых для компенсации температурного расширения), а также из-за окисления и загрязнения контактных поверхностей, электрическое сопротивление в этих местах становится большим и нестабильным. Это приводит к нескольким серьезным проблемам.

Во-первых, это приводит к большим потерям электроэнергии. При прохождении тягового тока, достигающего сотен и тысяч ампер, высокое сопротивление стыка вызывает значительное выделение тепла согласно закону Джоуля-Ленца ($Q = I^2Rt$). Это приводит к бесполезному расходу энергии.

Во-вторых, возникает опасный перегрев. Тепло, выделяющееся на стыке, может привести к его оплавлению, разрушению и даже к свариванию рельсов, что нарушает целостность железнодорожного пути и создает аварийную ситуацию.

В-третьих, это вызывает нарушение работы систем сигнализации. На железных дорогах для определения местоположения поездов и управления светофорами используются рельсовые цепи. Высокое сопротивление на стыке фактически разрывает эту цепь, что приводит к сбоям в работе систем автоматической блокировки и сигнализации, снижая безопасность движения.

Чтобы избежать этих проблем, стыки рельсов шунтируют, то есть создают для тока обходной путь с очень низким сопротивлением. Эту функцию выполняют перемычки из толстого медного провода. Выбор материала и толщины обусловлен необходимостью минимизировать сопротивление перемычки. Сопротивление проводника определяется формулой $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $\text{l}$ – его длина, а $\text{S}$ – площадь поперечного сечения.

Медь выбрана потому, что это один из лучших проводников с очень низким удельным сопротивлением $\rho$. Толстый провод используется для того, чтобы обеспечить большую площадь поперечного сечения $\text{S}$, так как чем больше площадь, тем меньше сопротивление проводника $\text{R}$. Это позволяет перемычке проводить огромные токи без существенного нагрева и потерь.

Ответ: Толстые перемычки из медного провода на стыках рельсов электрифицированных железных дорог устанавливают для обеспечения непрерывного и надежного пути с низким сопротивлением для обратного тягового тока. Рельсы служат обратным проводом в электрической цепи, а стыки между ними имеют высокое сопротивление. Перемычки шунтируют эти стыки, что предотвращает большие потери электроэнергии, опасный перегрев соединений и сбои в работе рельсовых систем сигнализации. Медь используется из-за ее низкой электросопротивляемости, а большая толщина провода необходима для уменьшения сопротивления и безопасного пропускания больших токов.