Номер 17.11, страница 87 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 17. Работа и мощность тока - номер 17.11, страница 87.

Условие.

17.11. Какие предохранители вам известны и каков принцип их действия?

Решение.

Предохранитель — это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от перегрузок и коротких замыканий. Его основная функция — разрыв цепи при протекании тока, превышающего допустимое значение. Существует несколько основных типов предохранителей.

Плавкие предохранители

Это самый простой и исторически первый тип предохранителей. Конструктивно они представляют собой корпус (из стекла, керамики) с размещенной внутри плавкой вставкой — тонкой проволокой из легкоплавкого металла (например, сплава свинца с оловом). Принцип их действия основан на тепловом эффекте электрического тока, который описывается законом Джоуля-Ленца ($Q = I^2 \cdot R \cdot t$). Когда по цепи протекает ток, не превышающий номинальное значение, выделяемое на плавкой вставке тепло успевает рассеяться в окружающую среду. Если же сила тока $\text{I}$ резко возрастает (при перегрузке или коротком замыкании), количество выделяемого тепла $\text{Q}$ становится настолько большим, что проволока нагревается до температуры плавления, расплавляется и разрывает электрическую цепь. Такие предохранители являются одноразовыми и после срабатывания подлежат замене.
Ответ: Принцип действия плавкого предохранителя основан на расплавлении специальной металлической вставки под действием тепла, которое выделяется при прохождении через нее сверхтока, и последующем разрыве электрической цепи.

Автоматические выключатели

Это более сложные и многоразовые устройства защиты. Они не только разрывают цепь при аварийных режимах, но и позволяют включить ее обратно вручную после устранения неисправности. В современных автоматических выключателях, как правило, сочетаются два типа расцепителей для защиты от разных видов нештатных ситуаций.
Тепловой расцепитель предназначен для защиты от перегрузок (длительного протекания тока, немного превышающего номинальный). Его основной элемент — биметаллическая пластина, которая при нагреве изгибается. При достижении определенной температуры изгиб пластины становится достаточным, чтобы задействовать механизм, размыкающий контакты.
Электромагнитный расцепитель служит для защиты от токов короткого замыкания (мгновенных и очень больших скачков тока). Он представляет собой соленоид (катушку), через который проходит ток цепи. При коротком замыкании сила тока резко возрастает, создавая мощное магнитное поле, которое мгновенно втягивает сердечник. Сердечник, в свою очередь, приводит в действие механизм расцепления, размыкая цепь практически без задержки.
Ответ: Принцип действия автоматического выключателя основан на комбинированном использовании двух механизмов: биметаллической пластины (тепловой расцепитель) для защиты от перегрузок и соленоида (электромагнитный расцепитель) для мгновенной защиты от коротких замыканий.

Самовосстанавливающиеся предохранители (PPTC)

Это современные устройства, которые после срабатывания могут самостоятельно возвращаться в рабочее состояние. Они изготавливаются из специального полимерного материала с добавлением токопроводящего наполнителя (углерода). В нормальном состоянии частицы углерода в полимере образуют множество проводящих путей, и сопротивление устройства очень низкое. При возникновении перегрузки по току предохранитель нагревается. При достижении определенной температуры структура полимера меняется — он расширяется, разрывая контакты между частицами углерода. Это приводит к скачкообразному увеличению сопротивления устройства в тысячи раз, что ограничивает ток в цепи до безопасного уровня. После устранения причины перегрузки и остывания устройства полимер возвращается в исходное состояние, его сопротивление снова становится низким, и цепь восстанавливается.
Ответ: Принцип действия самовосстанавливающегося предохранителя основан на свойстве полимерного материала с токопроводящим наполнителем обратимо и резко увеличивать свое электрическое сопротивление при нагреве из-за сверхтока, тем самым ограничивая ток, и восстанавливать низкое сопротивление после остывания.