Физика. 8 класс. Барьяхтар

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

§ 35. Электрические нагревательные устройства. Предохранители

Статистические данные говорят о том, что среди причин возникновения пожаров второе место после неосторожного обращения с огнем занимает загорание проводки в результате короткого замыкания. О том, что такое короткое замыкание и как обезопасить себя от возгорания проводов, если замыкание все же произошло, вы узнаете из этого параграфа.

1. Изучаем электронагревательные устройства

Электрические нагревательные устройства широко используют в сельском хозяйстве, промышленности, на транспорте, в быту.

Приведите примеры использования электрических нагревательных устройств.

Несмотря на внешнее многообразие, все электронагреватели имеют общие черты.

Во-первых, работа всех электрических нагревателей основана на тепловом действии тока: в таких устройствах энергия электрического тока преобразуется во внутреннюю энергию нагревателя, который, в свою очередь, отдает энергию окружающей среде путем теплопередачи (рис. 35.1).

Рис. 35.1. Чтобы увеличить теплоотдачу, поверхность обогревателя делают ребристой, а нагревательную поверхность электроплиты изготовляют из темных металлов

Во-вторых, основной частью любого электронагревателя является нагревательный элемент — проводник, нагревающийся при прохождении тока (рис. 35.2). Нагревательные элементы должны выдерживать очень высокую температуру, поэтому их изготовляют из тугоплавких материалов, то есть материалов, имеющих высокую температуру плавления (рис. 35.3). Чтобы избежать поражения током, нагревательный элемент изолируют от корпуса нагревательного устройства.

Рис. 35.2. Основная часть любого электрического нагревательного устройства — нагревательный элемент

Рис. 35.3. Нагревательный элемент электрической лампы накаливания изготовляют из вольфрама, температура плавления которого 3387 °C. Нагреваясь до температуры 3000 °C, тонкая вольфрамовая нить начинает ярко светиться

По закону Джоуля — Ленца количество теплоты Q, выделяющееся в нагревательном элементе, вычисляется по формуле Q = I2Rt, следовательно, изменяя время нагревания или силу тока в нагревательном элементе, можно регулировать температуру нагревателя (рис. 35.4).

Рис. 35.4. Поворачивая тумблер, мы настраиваем утюг на определенный температурный режим работы

Подводящие провода и нагревательный элемент соединены последовательно, поэтому сила тока в них одинакова. При этом подводящие провода нагреваются намного меньше, чем нагревательный элемент. Это означает, что сопротивление подводящих проводов во много раз меньше сопротивления нагревательного элемента. Обычно нагревательные элементы изготовляют из веществ с большим удельным сопротивлением, а подводящие провода — из веществ с малым удельным сопротивлением.

2. Выясняем причины резкого увеличения силы тока в цепи

Сопротивление подводящих проводов достаточно мало, однако при значительном увеличении силы тока они сильно нагреваются, и это может стать причиной пожара.

Резко увеличивается сила тока в цепи и в случае короткого замыкания — соединения концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением данного участка. Так, короткое замыкание может возникнуть при нарушении изоляции проводов или во время ремонта элементов электрической цепи, находящихся под напряжением (напомним, что это смертельно опасно!).

3. Применяем предохранители

Чтобы избежать пожара в случае короткого замыкания или перегрузки электрической цепи, а также не допустить порчи потребителей электрической энергии при опасном увеличении силы тока, используют предохранители — устройства, которые размыкают цепь, если сила тока в ней увеличится сверх нормы (рис. 35.5, 35.6).

Рис. 35.5. Автоматические предохранители. Рабочая часть автоматического предохранителя — биметаллическая пластина. В случае увеличения силы тока сверх нормы биметаллическая пластина выгибается, в результате чего цепь размыкается. После охлаждения предохранитель снова можно вернуть в рабочее состояние

Рис. 35.6. Плавкие предохранители, применяемые в радиотехнике. Внутри стеклянной трубочки с металлическими наконечниками натянут тонкий провод из легкоплавкого материала

Надеемся, вам будет несложно объяснить, как работают плавкие предохранители (см. рис. 35.6).

Внимание! Очень опасно применять неисправные предохранители или самодельные предохранительные устройства. Если при увеличении силы тока сверх нормы цепь вовремя не разомкнется, возникнет пожар.

4. Учимся решать задачи

Задача. Автоматический предохранитель в квартирном электросчетчике рассчитан на силу тока 10 А. Сработает ли предохранитель, если одновременно включить лампу мощностью 200 Вт, стиральную машину мощностью 800 Вт, электрический чайник мощностью 1400 Вт?

Анализ физической проблемы. Для решения задачи нужно определить общую мощность Робщ включенных потребителей. Если Робщ потребителей меньше максимально возможной мощности тока Рmах, на которую рассчитан предохранитель, то предохранитель не сработает, если больше — предохранитель разомкнет цепь. Максимально возможную мощность тока Рmах определим, зная напряжение в сети (220 В) и силу тока, на которую рассчитан предохранитель.

Анализ результатов. Сравнив общую мощность подключенных потребителей (Робщ = 2400 Вт) и мощность, на которую рассчитан предохранитель (Рmах = 2200 Вт), видим, что нагрузка в цепи превысит максимально возможное значение. Следовательно, предохранитель сработает, и цепь разомкнется.

Ответ: предохранитель разомкнет цепь.

Подводим итоги

Работа различных электронагревательных устройств основана на тепловом действии тока.

Во время работы электронагревательных устройств некоторое количество теплоты выделяется и в подводящих проводах. Значительное нагревание проводов может стать причиной пожара, поэтому, если есть опасность чрезмерного увеличения силы тока, к электрической цепи присоединяют предохранитель. Предохранитель представляет собой устройство, которое размыкает электрическую цепь, если сила тока превысит значение, допустимое для этой цепи.

Контрольные вопросы

1. Какие преобразования энергии происходят в электронагревателе при его включении в электрическую цепь? 2. Какие свойства должен иметь металл, из которого изготовляют нагревательный элемент? 3. Почему нагревательный элемент должен быть изолирован от корпуса нагревательного прибора? 4. Что может стать причиной чрезмерного увеличения силы тока в электрической цепи? К чему это может привести? 5. Что такое короткое замыкание? 6. С какой целью применяют предохранители? 7. Объясните принцип действия автоматического предохранителя.

Упражнение № 35

1. Какова максимально допустимая мощность тока в устройстве, если его плавкий предохранитель рассчитан на максимальный ток 6 А при напряжении 220 В?

2. Почему для предупреждения возгорания электропроводки особое внимание следует уделять качественному соединению проводов друг с другом и с приборами, включенными в сеть?

3. Каким требованиям должно отвечать вещество, из которого изготовляют провод для плавкого предохранителя?

4. Для присоединения сварочного аппарата, который потребляет ток силой 100 А, молодой рабочий решил воспользоваться осветительным шнуром. Почему вы, зная физику, никогда этого не сделаете?

5. Утюг — одно из самых распространенных нагревательных устройств, издавна используемых человеком. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте об истории создания утюга и подготовьте краткое сообщение.

6. Какие из приведенных утверждений истинны?

  • а) Атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов.
  • б) Размер ядра атома почти в 10 раз меньше размера самого атома.
  • в) В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
  • г) Вследствие действия электрического поля свободные электроны в металлах движутся к положительному полюсу источника тока, а протоны — к отрицательному.

Экспериментальное задание

По инструкциям и паспортам разных потребителей тока в вашем доме выясните их мощности. Узнайте у родителей, на какую силу тока рассчитаны предохранители, установленные в электросчетчике. Определите, сколько потребителей и какие именно можно одновременно включить в одно ответвление проводки.

Физика и техника в Украине

История Львовского национального университета им. И. Франко начинается в XVII в.: в 1661 г. польский король подписал диплом, который предоставлял иезуитской коллегии во Львове «достоинство академии и титул университета».

В 1773 г. орден иезуитов был запрещен, а университет закрыт. В 1784 г. император Иосиф II возобновил работу университета с латинским языком преподавания.

За столетия, прошедшие с того времени, университет стал одним из самых престижных образовательных заведений Украины, завоевал международный авторитет, стал мощным научным центром. Сначала университет имел два факультета — философский и богословский (теологический). Сегодня в университете 19 факультетов, среди которых особой популярностью пользуются факультеты электроники, механико-математический, прикладной математики и информатики, физический.

Основа научного потенциала университета — известные в Украине и мире научные школы: физика твердого тела, теоретическая физика, физико-химия полимеров, кристаллохимия, биоэнергетика и электрофизиология секреторных клеток, минералогическая школа академика Е. К. Лазаренко.

Ректор университета — Владимир Петрович Мельник.