Страница 171 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. По какой причине может значительно увеличиться сила тока в сети?

1. Сила тока в электрической цепи описывается законом Ома: $I = U/R$, где $I$ — сила тока, $U$ — напряжение, а $R$ — сопротивление. В бытовых и промышленных электросетях напряжение $U$ поддерживается практически постоянным (например, 220 В в России). Из формулы следует, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. Таким образом, для значительного увеличения силы тока необходимо резкое уменьшение общего сопротивления цепи. Существуют две основные причины такого уменьшения.

Короткое замыкание (КЗ)

Это аварийный режим работы, при котором проводники с разными потенциалами (например, фазный и нулевой) соединяются друг с другом напрямую, минуя предусмотренную нагрузку (электроприбор). Сопротивление такого соединения ничтожно мало, оно близко к нулю. В результате, согласно закону Ома, при $R \to 0$ сила тока $I$ скачкообразно возрастает до очень больших, разрушительных значений. Это приводит к выделению огромного количества теплоты, сильному нагреву, плавлению изоляции и самих проводов, что может вызвать пожар. Ток короткого замыкания ограничен только внутренним сопротивлением источника питания и сопротивлением подводящих проводов.

Перегрузка сети

Это состояние возникает при одновременном включении в одну линию нескольких мощных электроприборов (например, электрочайник, микроволновая печь, обогреватель). Потребители в бытовой сети подключаются параллельно друг другу. При параллельном соединении общее сопротивление цепи $R_{общ}$ всегда меньше наименьшего из сопротивлений, включенных в цепь, и уменьшается с каждым новым подключенным прибором. Общая проводимость (величина, обратная сопротивлению) равна сумме проводимостей отдельных потребителей:$$ \frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots + \frac{1}{R_n} $$Уменьшение общего сопротивления $R_{общ}$ при постоянном напряжении $U$ приводит к увеличению общего тока $I_{общ} = U/R_{общ}$. Если суммарный ток превышает номинальное значение, на которое рассчитана проводка и защитные устройства (автоматические выключатели), цепь оказывается перегруженной. Это также ведёт к опасному перегреву проводки.

Ответ: Сила тока в сети может значительно увеличиться из-за резкого уменьшения её общего сопротивления. Основными причинами этого являются: 1) короткое замыкание, когда происходит прямое соединение проводов с разным потенциалом в обход нагрузки; 2) перегрузка сети, когда в цепь параллельно включается слишком много мощных электроприборов.

2. В чём причина короткого замыкания?

2. Короткое замыкание (КЗ) — это электрическое соединение двух точек электрической цепи с разными потенциалами (например, фазного и нулевого проводов или полюсов источника тока), которое не предусмотрено конструкцией устройства и имеет очень малое, близкое к нулю, сопротивление.

Основной физической причиной возникновения короткого замыкания является резкое уменьшение сопротивления нагрузки в электрической цепи. В нормальном режиме работы ток в цепи ограничен полезной нагрузкой (например, лампочкой, нагревательным элементом, электродвигателем), которая имеет определённое сопротивление.

Это явление можно объяснить с помощью закона Ома для полной цепи. Сила тока $I$ в цепи определяется по формуле: $I = \frac{\mathcal{E}}{R+r}$ где $\mathcal{E}$ — электродвижущая сила (ЭДС) источника тока, $R$ — сопротивление внешней цепи (нагрузки), а $r$ — внутреннее сопротивление источника тока.

В случае короткого замыкания сопротивление внешней цепи $R$ стремится к нулю ($R \to 0$), так как ток начинает протекать по пути с пренебрежимо малым сопротивлением, минуя основную нагрузку. В результате сила тока в цепи (ток короткого замыкания $I_{кз}$) резко возрастает и ограничивается лишь малым внутренним сопротивлением источника тока: $I_{кз} \approx \frac{\mathcal{E}}{r}$

Поскольку внутреннее сопротивление $r$ источников тока (генераторов, аккумуляторов, трансформаторов) обычно очень мало, ток короткого замыкания может в десятки, сотни и даже тысячи раз превышать номинальный рабочий ток.

К практическим причинам, которые приводят к резкому падению сопротивления, относятся:

• Нарушение изоляции проводов из-за механического повреждения, старения, перегрева или воздействия агрессивной среды, что приводит к прямому контакту проводников.
• Ошибки при монтаже или ремонте электропроводки и электрооборудования.
• Попадание на токоведущие части посторонних проводящих предметов (например, металлических инструментов, воды).
• Перенапряжения в сети, вызывающие пробой изоляции.

Резкое увеличение силы тока приводит к интенсивному выделению тепла (согласно закону Джоуля — Ленца $Q = I^2Rt$), что вызывает оплавление и возгорание изоляции проводов, повреждение оборудования и может стать причиной пожара.

Ответ: Причиной короткого замыкания является резкое уменьшение сопротивления электрической цепи до очень малых значений, что в соответствии с законом Ома приводит к многократному увеличению силы тока.

3. Чем объяснить, что при коротком замыкании сила тока в цепи может достигнуть огромного значения?

2. В чём причина короткого замыкания?

Короткое замыкание — это электрическое соединение двух точек электрической цепи с разными потенциалами, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Такое соединение происходит по пути с очень малым сопротивлением.

Основными причинами возникновения короткого замыкания являются: нарушение изоляции проводов из-за старения, перегрева или механических повреждений, что приводит к соприкосновению проводников; неправильный монтаж электропроводки или ремонт электроприборов; попадание посторонних проводящих предметов или воды на токоведущие части; перенапряжение в сети, способное пробить изоляцию.

Ответ: Причина короткого замыкания заключается в возникновении непредусмотренного конструкцией соединения участков цепи с разными потенциалами через очень малое сопротивление, что чаще всего вызвано повреждением изоляции проводов.

3. Чем объяснить, что при коротком замыкании сила тока в цепи может достигнуть огромного значения?

Это явление объясняется законом Ома для полной цепи. Сила тока $I$ в цепи определяется по формуле: $I = \frac{\mathcal{E}}{R+r}$, где $\mathcal{E}$ — электродвижущая сила (ЭДС) источника тока, $R$ — сопротивление внешней цепи (нагрузки, например, электроприборов), а $r$ — внутреннее сопротивление источника тока.

В нормальном режиме работы сопротивление нагрузки $R$ имеет значительную величину, которая ограничивает силу тока до безопасных значений. При коротком замыкании нагрузка фактически отключается, и ток идёт по пути с очень низким сопротивлением. Это означает, что внешнее сопротивление $R$ стремится к нулю ($R \approx 0$).

В этом случае формула для силы тока (тока короткого замыкания $I_{кз}$) принимает вид: $I_{кз} \approx \frac{\mathcal{E}}{r}$.

Поскольку внутреннее сопротивление источника тока $r$ обычно очень мало (доли Ома), а ЭДС $\mathcal{E}$ остаётся прежней, сила тока $I_{кз}$ достигает очень больших, разрушительных значений.

Ответ: Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При коротком замыкании внешнее сопротивление цепи резко уменьшается почти до нуля, и ток ограничивается лишь очень малым внутренним сопротивлением источника, что и приводит к его огромному увеличению.

4. Каково назначение предохранителей, включаемых в сеть?

Предохранители — это защитные устройства, предназначенные для разрыва электрической цепи в случае, если сила тока в ней превысит допустимое значение. Их основное назначение — защита электрической сети и подключенных к ней приборов от повреждения из-за перегрузок и токов короткого замыкания.

Принцип действия предохранителя основан на тепловом эффекте тока. Он содержит легкоплавкий проводник, рассчитанный на определённую силу тока. Когда ток в цепи превышает это номинальное значение, проводник в предохранителе нагревается, плавится и разрывает цепь. Это прекращает подачу электричества, предотвращая перегрев проводки, который может вызвать пожар, и защищая электроприборы от выхода из строя.

Ответ: Назначение предохранителей — автоматически размыкать электрическую цепь при превышении силы тока установленного безопасного предела, тем самым защищая проводку от перегрева и возгорания, а электроприборы — от повреждения.

4. Каково назначение предохранителей, включаемых в сеть?

4. Предохранители, включаемые в электрическую сеть, являются защитными устройствами. Их основное назначение — защита электрической цепи и подключенных к ней приборов от повреждений, вызванных чрезмерно большим током (сверхтоком).

Резкое увеличение силы тока в сети может произойти по двум основным причинам:

• Перегрузка сети: возникает при одновременном включении в одну розетку или линию нескольких мощных электроприборов (например, чайника, микроволновой печи и обогревателя). Суммарная сила тока, потребляемая ими, может превысить значение, на которое рассчитана проводка.
• Короткое замыкание: происходит при нарушении изоляции и прямом контакте проводников с разным потенциалом (например, фазного и нулевого). Сопротивление цепи в этом случае становится очень малым, что согласно закону Ома ($I = U/R$) приводит к мгновенному и очень сильному росту силы тока.

Принцип действия наиболее простого, плавкого предохранителя основан на тепловом действии тока. Внутри его корпуса находится тонкий проводник из легкоплавкого материала, рассчитанный на определенную максимальную силу тока. Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении через него тока, определяется законом Джоуля-Ленца:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

где $Q$ — количество теплоты, $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление проводника, а $t$ — время прохождения тока.

Когда сила тока $I$ в цепи превышает номинальное (допустимое) значение, количество выделяемой теплоты $Q$ резко возрастает. В результате легкоплавкий проводник нагревается до температуры плавления и разрывается (перегорает). Это приводит к размыканию электрической цепи, прекращая подачу тока. Таким образом, предохранитель защищает более дорогую проводку и электроприборы от повреждения и предотвращает возможный пожар из-за перегрева проводов.

Помимо одноразовых плавких предохранителей, существуют и многоразовые автоматические выключатели, которые выполняют ту же функцию, но после срабатывания их можно вернуть в рабочее состояние простым нажатием рычажка.

Ответ: Назначение предохранителей — автоматически размыкать электрическую цепь при возникновении в ней токов, превышающих допустимые значения (при перегрузке или коротком замыкании), для защиты проводки от перегрева и возгорания, а также подключенных электроприборов от выхода из строя.

1. Почему нить накала в современных лампах делают из вольфрама?

1. Нить накала в лампах накаливания делают из вольфрама благодаря уникальному сочетанию его физических свойств, которые делают его идеальным материалом для этой цели. Основных причин несколько:

Высочайшая температура плавления. Вольфрам — самый тугоплавкий из всех металлов, его температура плавления составляет около $3422$ °C. Лампы накаливания работают за счет нагрева нити до очень высоких температур (обычно $2500$–$3000$ °C), при которых она начинает испускать яркий видимый свет. Большинство других металлов при таких температурах просто расплавились бы. Чем выше температура нити, тем эффективнее преобразование электрической энергии в свет, а не в тепло.

Высокое удельное электрическое сопротивление. Чтобы нить эффективно нагревалась при прохождении через нее электрического тока, ее сопротивление должно быть достаточно большим. Количество выделяемой теплоты, согласно закону Джоуля-Ленца, прямо пропорционально сопротивлению ($Q \sim R$). Высокое удельное сопротивление вольфрама позволяет изготовить из него тонкую и длинную спираль, которая будет сильно нагреваться и при этом оставаться достаточно компактной для размещения внутри стеклянной колбы лампы.

Низкая скорость испарения. Даже при температурах, близких к температуре плавления, вольфрам испаряется (сублимирует) очень медленно. Это критически важное свойство, так как оно определяет срок службы лампы. Если бы материал нити испарялся быстро, она бы быстро утончилась и перегорела. Низкая летучесть вольфрама обеспечивает его долговечность в качестве нити накала.

Механическая прочность. Вольфрам — достаточно прочный и твердый металл, что позволяет изготавливать из него тончайшие нити и сворачивать их в спирали сложной формы, которые могут выдерживать вибрации и механические воздействия в процессе эксплуатации лампы.

Ответ: Нить накала в современных лампах делают из вольфрама, потому что он обладает уникальным сочетанием свойств: самой высокой температурой плавления среди всех металлов (около $3422$ °C), что позволяет раскалять его до яркого свечения; высоким удельным электрическим сопротивлением для эффективного нагрева; и очень низкой скоростью испарения при рабочих температурах, что гарантирует долгий срок службы лампы.

2. В какой лампе тоньше нить — в более или в менее мощной? Почему?

Решение

Для ответа на этот вопрос рассмотрим связь между мощностью лампы, ее сопротивлением и параметрами нити накала. Лампы накаливания, используемые в быту, как правило, рассчитаны на одинаковое стандартное напряжение в сети $U$.

Мощность электрического тока $P$ связана с напряжением $U$ и сопротивлением $R$ проводника следующей формулой:

$P = \frac{U^2}{R}$

Из этой формулы следует, что при одинаковом напряжении $U$ мощность лампы $P$ обратно пропорциональна ее сопротивлению $R$. Таким образом, у более мощной лампы сопротивление нити накала будет меньше, а у менее мощной — больше.

Сопротивление проводника, в свою очередь, зависит от его геометрических размеров и материала. Эта зависимость выражается формулой:

$R = \rho \frac{l}{S}$

Здесь $\rho$ — удельное сопротивление материала, из которого сделана нить (обычно вольфрам), $l$ — ее длина, а $S$ — площадь поперечного сечения.

Из этой формулы видно, что сопротивление $R$ обратно пропорционально площади поперечного сечения $S$. Это означает, что чем тоньше нить (чем меньше ее площадь $S$), тем ее сопротивление $R$ больше.

Сопоставим эти выводы:

1. Менее мощная лампа должна иметь большее сопротивление.
2. Большее сопротивление достигается за счет использования более тонкой нити (при прочих равных условиях).

Следовательно, в менее мощной лампе нить накала тоньше.

Ответ: Нить тоньше в менее мощной лампе. Потому что для работы от того же напряжения менее мощная лампа должна иметь большее электрическое сопротивление. Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, поэтому для получения большего сопротивления нить делают тоньше.