Номер 52.1, страница 184 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 52. Расчёт сопротивления проводников. Глава 7. Электрические явления - номер 52.1, страница 184.

52.1 [1304] Для чего на электрифицированных железных дорогах на стыках рельсов устанавливают соединители в виде жгутов из толстой медной проволоки, приваренных к концам обоих рельсов?

52.1 На электрифицированных железных дорогах электрический ток от тяговой подстанции подается к локомотиву через контактный провод, а обратно на подстанцию возвращается по рельсам. Таким образом, рельсы являются неотъемлемой частью электрической цепи, выполняя функцию обратного провода.

Железнодорожный путь состоит из отдельных отрезков рельсов, которые соединяются между собой на стыках с помощью стальных накладок и болтов. Такое механическое соединение не может обеспечить надежный и стабильный электрический контакт по нескольким причинам:

• Поверхности металла в месте стыка подвержены коррозии (ржавчине) и загрязнению, что значительно увеличивает переходное электрическое сопротивление.
• Стыки испытывают постоянные вибрации от проходящих поездов и температурные деформации (расширение и сжатие), из-за чего плотность контакта между рельсами нестабильна.

Высокое и нестабильное сопротивление в стыках приводит к ряду серьезных проблем:

1. Значительные потери электроэнергии. Согласно закону Джоуля-Ленца, мощность тепловых потерь в проводнике прямо пропорциональна его сопротивлению ($P = I^2R$). Большое сопротивление $R$ на стыках вызывает их сильный нагрев и приводит к бесполезной трате значительной части электроэнергии, что снижает общую эффективность системы тягового электроснабжения.
2. Нарушение работы систем сигнализации. Рельсовые цепи являются ключевым элементом систем автоматической блокировки и сигнализации, используемых для определения, свободен или занят участок пути. Плохой электрический контакт в стыке может вызвать сбой в работе этих систем, что создает прямую угрозу безопасности движения поездов.
3. Ускоренный износ и разрушение пути. Сильный нагрев и искрение, возникающие при прохождении больших токов через плохой контакт, вызывают электрохимическую коррозию и обгорание металла в зоне стыка, что приводит к его преждевременному разрушению.

Для устранения этих проблем и создания непрерывного электрического пути с минимально возможным сопротивлением, параллельно механическим стыкам рельсов устанавливают специальные электрические соединители.

Эти соединители изготавливают в виде гибких жгутов из толстой медной проволоки, потому что:

• Медь — один из лучших проводников с очень низким удельным сопротивлением $\rho$, что обеспечивает минимальные потери тока.
• Большая площадь поперечного сечения. Жгут состоит из множества проволок, что дает большую суммарную площадь поперечного сечения $A$. Так как сопротивление проводника обратно пропорционально этой площади ($R = \rho \frac{L}{A}$), это позволяет добиться очень низкого общего сопротивления соединителя.
• Гибкость. Форма жгута позволяет ему выдерживать вибрации и компенсировать температурные перемещения концов рельсов, не разрушаясь.
• Приварка к рельсам обеспечивает постоянный, надежный и механически прочный контакт с очень низким переходным сопротивлением на долгий срок.

Таким образом, медные соединители шунтируют (создают обходной путь) рельсовый стык, обеспечивая для тягового тока непрерывную и эффективную цепь возврата на подстанцию.

Ответ: Соединители в виде жгутов из толстой медной проволоки устанавливают на стыках рельсов для создания надежного электрического контакта с низким сопротивлением. Это необходимо, так как на электрифицированных железных дорогах рельсы являются частью электрической цепи и служат обратным проводом для тягового тока. Такие соединители предотвращают большие потери электроэнергии на нагрев стыков, защищают их от разрушения и, что особенно важно, обеспечивают бесперебойную работу рельсовых цепей системы сигнализации, гарантируя безопасность движения поездов.