Номер 5, страница 29 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Электрические явления. ТЗ-13. Закон Джоуля—Ленца - номер 5, страница 29.

Условие.

5. a) Почему недопустимо на место перегоревшего предохранителя ставить толстую медную проволоку?

б) Почему в предохранителях используют проволоку из легкоплавких металлов?

Решение.

а) Почему недопустимо на место перегоревшего предохранителя ставить толстую медную проволоку?

Основная задача предохранителя — защитить электрическую цепь от перегрузки по току, которая может возникнуть, например, при коротком замыкании или подключении слишком мощного прибора. Предохранитель представляет собой самое слабое звено в цепи и должен перегореть (расплавиться), размыкая цепь, прежде чем чрезмерный ток повредит проводку, электроприборы или вызовет пожар.

Использование толстой медной проволоки вместо штатного предохранителя недопустимо по двум основным причинам:

1. Низкое электрическое сопротивление. Сопротивление проводника $\text{R}$ определяется формулой $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ — удельное сопротивление материала, $\text{l}$ — длина, а $\text{S}$ — площадь поперечного сечения. Толстая проволока имеет большую площадь сечения $\text{S}$, а значит, очень низкое сопротивление $\text{R}$. Количество теплоты $\text{Q}$, выделяемое в проводнике при прохождении тока $\text{I}$ в течение времени $\text{t}$, описывается законом Джоуля — Ленца: $Q = I^2Rt$. Из-за крайне низкого сопротивления $\text{R}$ для выделения достаточного для плавления количества теплоты потребуется огромная сила тока $\text{I}$, которая губительна для остальной цепи.

2. Высокая температура плавления. Медь — тугоплавкий металл с температурой плавления около 1085 °C. Пока ток короткого замыкания будет нагревать такую проволоку до этой температуры, он уже успеет расплавить изоляцию основной проводки и вывести из строя подключенные к сети приборы, что с высокой вероятностью приведет к пожару.

Таким образом, толстая медная проволока не способна выполнять защитную функцию предохранителя.

Ответ: Ставить толстую медную проволоку на место перегоревшего предохранителя недопустимо, так как она имеет очень низкое сопротивление и высокую температуру плавления. В случае перегрузки цепи она не расплавится и не разомкнет цепь, что приведет к перегреву основной проводки и электроприборов, создавая риск пожара и поломки оборудования.

б) Почему в предохранителях используют проволоку из легкоплавких металлов?

Принцип действия плавкого предохранителя основан на тепловом действии тока. Проволока внутри предохранителя должна расплавиться и разорвать электрическую цепь, как только сила тока превысит безопасное для данной цепи значение.

Для этой цели используют проволоку из легкоплавких металлов (например, свинец, олово или их специальные сплавы). Это делается для того, чтобы предохранитель был самым чувствительным к перегрузке элементом цепи.

Ключевым свойством является низкая температура плавления (например, у олова — 232 °C, у свинца — 327 °C). Это гарантирует, что при превышении номинального тока проволока быстро нагреется до температуры плавления и разорвет цепь. Согласно закону Джоуля — Ленца ($Q = I^2Rt$), выделяемое тепло пропорционально квадрату силы тока. Чем ниже температура плавления металла, тем меньшее количество теплоты потребуется для его расплавления, и тем быстрее сработает защита при возникновении опасного тока. Если бы в предохранителе использовался тугоплавкий металл (например, вольфрам с температурой плавления 3422 °C), то при коротком замыкании раньше расплавилась бы изоляция проводов или сгорели бы элементы электроприбора, чем перегорел бы сам предохранитель.

Ответ: В предохранителях используют проволоку из легкоплавких металлов, потому что они имеют низкую температуру плавления. Это позволяет им быстро расплавиться и разомкнуть цепь при превышении допустимой силы тока, тем самым защищая остальную часть цепи и подключенные приборы от повреждения и предотвращая возможный пожар.