Номер 57.12, страница 205 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 57. Тепловое действие тока. Глава 7. Электрические явления - номер 57.12, страница 205.

57.12 [н] Современный автоматический прерыватель тока в электрических сетях содержит биметаллическую пластину — это две скреплённые между собой пластины из разнородных металлов (рис. VII-85). При нормальных нагрузках через биметаллическую пластину идёт ток, а при коротком замыкании она разрывает контакт, и ток в цепи прекращается. Какие явления положены в основу принципа действия такого прерывателя тока?

Металлы

Диэлектрик

Рис. VII-85

Принцип действия автоматического прерывателя тока, использующего биметаллическую пластину, основан на двух последовательных физических явлениях: тепловом действии электрического тока и тепловом расширении твёрдых тел.

Тепловое действие тока
Когда через проводник, обладающий электрическим сопротивлением, протекает ток, в нем выделяется тепло. Это явление описывается законом Джоуля — Ленца. Количество выделившейся теплоты $Q$ можно рассчитать по формуле:$$Q = I^2 \cdot R \cdot t$$где $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление участка цепи (в данном случае, биметаллической пластины), а $t$ — время прохождения тока. При коротком замыкании или перегрузке сила тока $I$ в цепи резко и многократно возрастает. Согласно закону, это приводит к очень быстрому и сильному нагреву биметаллической пластины, так как выделяемая тепловая мощность пропорциональна квадрату силы тока.

Тепловое расширение тел
Биметаллическая пластина, как следует из названия, состоит из двух прочно соединённых по всей длине полос, изготовленных из разных металлов. Эти металлы подбираются так, чтобы у них были существенно разные коэффициенты теплового расширения. Коэффициент теплового расширения — это физическая величина, которая показывает, насколько изменяются размеры тела при изменении его температуры.
Когда пластина сильно нагревается из-за возросшего тока, обе металлические полосы стремятся удлиниться. Однако та полоса, у которой коэффициент теплового расширения больше, удлиняется на большую величину. Поскольку полосы жестко скреплены, эта разница в удлинении заставляет всю пластину изгибаться. Изгиб происходит в сторону металла с меньшим коэффициентом теплового расширения. Этот изгиб является механическим действием, которое используется для размыкания контактов: изогнувшаяся пластина толкает специальный рычаг, который разрывает электрическую цепь. В результате ток прекращается, предотвращая повреждение проводки и электроприборов.

Ответ: В основу принципа действия такого прерывателя положены явления: 1) тепловое действие тока (закон Джоуля — Ленца), в результате которого пластина нагревается при протекании через неё большого тока; 2) различное тепловое расширение двух разных металлов, из которых состоит пластина, что приводит к её механическому изгибу при нагревании и размыканию электрической цепи.