Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 35. Електричні нагрівальні пристрої. Запобіжники

Статистичні дані свідчать про те, що серед причин виникнення пожеж друге місце після необережного поводження з вогнем посідає загоряння проводки внаслідок короткого замикання. Про те, що таке коротке замикання і як убезпечитися від загоряння проводів, якщо замикання все ж таки відбулося, ви дізнаєтеся із цього параграфа.

1. Вивчаємо електронагрівальні пристрої

Електричні нагрівальні пристрої широко застосовують у сільському господарстві, промисловості, на транспорті, в побуті.

Пропонуємо вам самостійно навести приклади застосування електричних нагрівальних пристроїв у різних галузях. Незважаючи на зовнішнє різноманіття, усі електронагрівники, використовувані на практиці, мають спільні риси.

По-перше, робота всіх електричних нагрівників ґрунтується на тепловій дії струму: в таких пристроях енергія електричного струму перетворюється на внутрішню енергію нагрівника, який, у свою чергу, віддає енергію довкіллю шляхом теплопередачі (рис. 35.1).

Рис. 35.1. Щоб збільшити тепловіддачу, поверхню обігрівача роблять ребристою, а нагрівальну поверхню електроплити виготовляють із темних металів

По-друге, основною частиною будь-якого електронагрівника є нагрівальний елемент — провідник, який нагрівається в разі проходження струму (рис. 35.2). Нагрівальні елементи мають витримувати дуже високу температуру, тому їх виготовляють із тугоплавких матеріалів, тобто з матеріалів, які мають високу температуру плавлення (рис. 35.3). Щоб уникнути ураження струмом, нагрівальний елемент ізолюють від корпусу нагрівального пристрою.

Рис. 35.2. Основна частина будь-якого електричного нагрівального пристрою — нагрівальний елемент

Рис. 35.3. Нагрівальний елемент електричної лампи розжарення виготовляють із вольфраму, температура плавлення якого 3387 °С. Нагріваючись до температури 3000 °С, тонка вольфрамова нитка починає яскраво світитися

За законом Джоуля — Ленца кількість теплоти Q, що виділяється в нагрівальному елементі, обчислюється за формулою Q = I²Rt, отже, змінюючи час нагрівання або силу струму в нагрівальному елементі, можна регулювати температуру нагрівника (рис. 35.4).

Рис. 35.4. Повертаючи тумблер праски, ми настроюємо праску на певний температурний режим

Підвідні проводи та нагрівальний елемент з’єднані послідовно, тому сила струму в них є однаковою. При цьому підвідні проводи нагріваються набагато менше, ніж нагрівальний елемент. Це означає, що опір підвідних проводів у багато разів менший від опору нагрівального елемента. Зазвичай нагрівальні елементи виготовляють із речовин з великим питомим опором, а підвідні проводи — із речовин з малим питомим опором.

2. З’ясовуємо причини різкого збільшення сили струму в колі

Опір підвідних проводів досить малий, проте в разі значного збільшення сили струму вони дуже нагріваються, і це може стати причиною пожежі.

Різко збільшується сила струму в колі й у випадку короткого замикання — з’єднання кінців ділянки кола провідником, опір якого дуже малий порівняно з опором даної ділянки. Так, коротке замикання може виникнути в разі порушення ізоляції проводів або під час ремонту елементів електричного кола, які перебувають під напругою (нагадаємо, що це є смертельно небезпечним!).

3. Застосовуємо запобіжники

Щоб уникнути пожежі у випадку короткого замикання або перевантаження електричного кола, а також не допустити псування споживачів електричної енергії під час небезпечного збільшення сили струму, використовують запобіжники — пристрої, які розмикають коло в разі, якщо сила струму в ньому збільшиться понад норму (рис. 35.5, 35.6).

Рис. 35.5. Автоматичні запобіжники. Робоча частина автоматичного запобіжника — біметалева пластина.

У разі збільшення сили струму понад норму біметалева пластина вигинається, в результаті чого коло розмикається. Після охолодження запобіжник знову можна повернути в робочий стан

Сподіваємось, вам буде нескладно пояснити, як працюють плавкі запобіжники (див. рис. 35.6).

Рис. 35.6. Плавкі запобіжники, які застосовують у радіотехніці. Усередені скляної або керамічної трубочки з металевими наконечниками натягнутий тонкий дріт із легкоплавкого матеріалу

Увага! Дуже небезпечно застосовувати несправні запобіжники або саморобні запобіжні пристрої. Якщо в разі збільшення сили струму понад норму коло своєчасно не розімкнеться, виникне пожежа.

4. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Автоматичний запобіжник у квартирному електролічильнику розрахований на силу струму 10 А. Чи спрацює запобіжник, якщо одночасно ввімкнути лампу споживною потужністю 200 Вт, пральну машину потужністю 800 Вт, електричний чайник потужністю 1400 Вт? Напруга в мережі 220 В.

Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі слід визначити загальну потужність P_заг увімкнених споживачів. Якщо P_заг споживачів менша від максимально можливої потужності струму P_max, на яку розрахований запобіжник, то запобіжник не спрацює, якщо більша — він розімкне коло.

Підбиваємо підсумки

Робота різноманітних електронагрівальних пристроїв ґрунтується на тепловій дії струму.

Під час роботи електронагрівальних пристроїв певна кількість теплоти виділяється і в підвідних проводах. Значне нагрівання проводів може стати причиною пожежі, тому, якщо є небезпека надмірного збільшення сили струму, до електричного кола приєднують запобіжник. Запобіжник являє собою пристрій, який розмикає електричне коло в разі, якщо сила струму перевищить значення, допустиме для цього кола.

Контрольні запитання

1. Які перетворення енергії відбуваються всередині електронагрівника в разі його ввімкнення в електричне коло? 2. Які властивості повинен мати метал, із якого виготовляють нагрівальний елемент? 3. Чому нагрівальний елемент має бути ізольований від корпусу нагрівального приладу? 4. Що може стати причиною надмірного збільшення сили струму в електричному колі? До чого це може призвести? 5. Що таке коротке замикання? 6. З якою метою застосовують запобіжники? 7. Поясніть принцип дії автоматичного запобіжника.

Вправа № 35

1. Якою є максимально допустима потужність струму в пристрої, якщо його плавкий запобіжник розрахований на максимальний струм 6 А за напруги 220 В?

2. Чому для запобігання займанню електропроводки особливу увагу слід приділяти якісному з’єднанню дротів один з одним та з приладами, які ввімкнено в мережу?

3. Яким вимогам має відповідати речовина, з якої виготовляють дріт для плавкого запобіжника?

4. Для приєднання зварювального апарата, який споживає струм силою 100 А, молодий робітник вирішив скористатися освітлювальним шнуром. Чому ви, знаючи фізику, ніколи цього не зробите?

5. Праска — один із найпоширеніших нагрівальних пристроїв, здавна використовуваних людиною. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про історію створення праски та підготуйте коротке повідомлення.

6. Які з поданих тверджень є істинними?

• а) Атом складається з ядра та розташованих навколо нього електронів.
• б) Розмір ядра атома майже в 10 разів менший, ніж розмір атома.
• в) У нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів.
• г) Унаслідок дії електричного поля вільні електрони в металах прямують до позитивного полюса джерела струму, а протони — до негативного.

Експериментальне завдання

За паспортами й інструкціями до різних споживачів струму у вашій оселі з’ясуйте їхню потужність. Дізнайтеся в батьків, на яку силу струму розраховані запобіжники, що встановлені в електролічильнику. Визначте, скільки споживачів і які саме можна одночасно ввімкнути в одне відгалуження проводки.

Фізика і техніка в Україні

Історія Львівського національного університету ім. Івана Франка починається в XVII ст.: у 1661 р. польський король підписав диплом, що надавав єзуїтській колегії у Львові «гідність академії і титул університету». У 1773 р. орден єзуїтів було заборонено, а університет закрито. У 1784 р. імператор Йосиф II відновив роботу університету з латинською мовою викладання.

За століття, що минули з того часу, університет став одним із найпрестіжніших освітніх закладів України, здобув високий міжнародний авторитет, став потужним науковим осередком. Сьогодні в університеті працює 19 факультетів, серед яких особливо популярні факультети електроніки, механіко-математичний, прикладної математики та інформатики, фізичний.

Основу наукового потенціалу університету складають відомі в Україні та світі наукові школи: фізика твердого тіла, теоретична фізика, фізико-хімія полімерів, кристалохімія, біоенергетика й електрофізіологія секреторних клітин, мінералогічна школа академіка Є. К. Назаренка.