§ 49. Короткое замыкание. Предохранители

аварийный режим работы электрической цепи, возникающий при непредусмотренном прямом электрическом соединении фазного и нулевого проводов (или полюсов источника тока) через очень малое сопротивление в обход основных потребителей энергии:

• 1. Причины возникновения — механическое повреждение изоляции проводки, случайное соприкосновение оголенных проводников («провода закоротили»), поломка внутренних изоляционных элементов в электроприборах.
• 2. Физические последствия — согласно закону Ома ($I = \frac{U}{R}$), при падении сопротивления цепи почти до нуля ($R \to 0$) сила тока возрастает до сотен и тысяч ампер. По закону Джоуля—Ленца ($Q = I^2 R t$) это вызывает мгновенный колоссальный разогрев проводки, плавление металла, вспышку электрической дуги и пожар.

режим работы электросети, при котором суммарная сила тока подключённых потребителей превышает предельно допустимое значение, на которое рассчитана площадь сечения токоподводящих проводов:

• 1. Причина — одновременное параллельное включение в одну розетку или линию слишком большого количества мощных энергопотребителей (утюгов, чайников, обогревателей, стиральных машин).
• 2. Опасность перегрузки — длительный умеренный перегрев изоляции приводит к ее высыханию, растрескиванию и последующему короткому замыканию.

защитное электротехническое устройство, предназначенное для автоматического мгновенного размыкания (обесточивания) электрической цепи, если сила тока в ней превышает допустимую безопасную норму.

• 1. Главная задача — предотвращение перегрева и возгорания проводки, а также защита оборудования при коротких замыканиях и критических перегрузках.
• 2. Способ включения — включается строго последовательно в защищаемую цепь в самом ее начале (на вводе).

одноразовое защитное устройство, основной рабочей частью которого является калиброванная проволока из легкоплавкого металла или сплава (свинец, олово, цинк):

• 1. Принцип срабатывания — толщина проволоки рассчитана так, что при превышении допустимой силы тока выделяющееся по закону Джоуля—Ленца тепло расплавляет проволоку быстрее, чем успеют опасно нагреться провода сети, и цепь разрывается.
• 2. Конструкция — фарфоровый или стеклянный патрон с металлическими контактами на концах (автомобильные предохранители, пробки с плавкой вставкой).

многоразовый электромеханический аппарат защиты цепи, действие которого основано на тепловом расширении твердых тел при нагревании:

• 1. Биметаллическая пластина — состоит из двух прочно скрепленных полос разных металлов с существенно различными коэффициентами теплового линейного расширения (например, медь и инвар).
• 2. Механизм срабатывания — при токе выше нормы пластина сильно разогревается и изгибается в сторону металла с меньшим расширением, освобождая пружинную защелку контактной группы и размыкая цепь. После остывания выключатель можно вернуть в рабочее состояние нажатием кнопки или рычага без замены элементов.

Сила тока в электрической цепи может значительно возрасти по двум основным причинам:

• Включение в цепь слишком большого числа потребителей (перегрузка) — при параллельном подключении каждого нового прибора общее сопротивление цепи уменьшается ($\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \ldots$), что приводит к пропорциональному росту суммарного тока в подводящих магистральных проводах ($I = I_1 + I_2 + \ldots$).
• Короткое замыкание — непредусмотренное соединение токоведущих проводов накоротко через пренебрежимо малое сопротивление, в результате чего сопротивление цепи падает до десятых и сотых долей ома, а ток возрастает в сотни раз.

Причиной короткого замыкания является нарушение нормальной изоляции проводов и прямое соединение фазного и нулевого (или разнополярных) проводников между собой:

• Механическое истирание, перетирание или растрескивание изоляционного покрытия кабелей от старости;
• Случайное соприкосновение оголённых проводов при неквалифицированном ремонте под напряжением;
• Попадание токопроводящей жидкости или металлических предметов внутрь электроприборов и розеток;
• Внутренний пробой изоляции в обмотках трансформаторов, двигателей или нагревательных элементов.

Согласно закону Ома для участка цепи, сила тока обратно пропорциональна сопротивлению цепи:

$$I = \frac{U}{R}$$

При нормальной работе напряжение источника ($220\text{ В}$) приложено к потребителям с относительно большим сопротивлением (сотни ом). При коротком замыкании ток идет в обход потребителей только по подводящим проводам, сопротивление которых чрезвычайно мало (сотые доли ома, $R \approx 0$). В результате деления неизменного высокого напряжения сети на ничтожно малое сопротивление сила тока возрастает до сотен и тысяч ампер:

$$I_{\text{к.з.}} = \frac{220\text{ В}}{0{,}1\text{ Ом}} = 2200\text{ А}$$

Такой скачок тока вызывает мгновенное выделение гигантского количества тепла ($Q = I^2 R t$), приводя к разрушению проводки и взрывному возникновению электрической дуги.

Предохранители предназначены для автоматического и надежного обесточивания (размыкания) электрической цепи при возникновении аварийных режимов — коротких замыканий и недопустимых токовых перегрузок.

Предохранитель является наиболее слабым звеном цепи: при опасном увеличении тока он мгновенно отключает питание до того, как подводящие провода успеют раскалиться до температуры воспламенения изоляции или сгорит дорогостоящее оборудование.

Нить накала изготавливают из вольфрама по следующим фундаментальным причинам:

• Рекордно высокая температура плавления: вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов ($T_{\text{пл}} = 3387^\circ\text{C}$). Это позволяет раскалять спираль до белого каления ($2500$–$3000^\circ\text{C}$), при котором значительная часть излучения переходит в видимый диапазон спектра, без риска расплавления спирали.
• Высокое удельное электрическое сопротивление и пластичность вольфрама при волочении позволяют вытягивать тончайшие микронити и сворачивать их в компактные биспирали с большим сопротивлением, обеспечивающим требуемую световую отдачу.

Ответ: Нить накала тоньше в менее мощной лампе.

• Доказательство и обоснование:
• Обе лампы рассчитаны на одинаковое номинальное напряжение бытовой электросети $U = 220\text{ В}$.
• Мощность тока выражается формулой: $P = \frac{U^2}{R}$. Отсюда сопротивление нити накала равно: $R = \frac{U^2}{P}$.

Следовательно, чем меньше мощность лампы ($P$), тем большим сопротивлением ($R$) должна обладать её нить накала.

• Электрическое сопротивление проводника обратно пропорционально площади поперечного сечения нити: $R = \frac{\rho l}{S}$. Чтобы нить имела большее сопротивление при стандартной длине, площадь её сечения $S$ должна быть меньше.

Таким образом, у менее мощной лампы нить накала тоньше, а у более мощной лампы нить накала толще.