§ 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 з цього параграфа.

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

Вивчаємо електронагрівальні пристрої

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

Пропонуємо вам навести самостійно 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. 35.2. Основна частина будь-якого електричного нагрівального пристрою — нагрівальний елемент

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, що мають високу температуру плавлення (рис. 35.3). Щоб уникнути ураження струмом, нагрівальний елемент ізолюють від корпусу нагрівального пристрою.

За законом Джоуля — Ленца кількість

ючи силу струму в нагрівальному елементі, можна регулювати температуру нагрівника (рис. 35.4).

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 за опір нагрівального елемента. Зазвичай нагрівальні елементи виготовляють із речовин з великим питомим опором, а підвідні проводи — із речовин з малим питомим опором.

Рис. 35.3. Нагрівальний елемент електричної лампи розжарювання виготовляють із вольфраму, температура плавлення якого 3387°С. Нагріваючись до температури 3000°С, тонкий вольфрамовий волосок починає яскраво світитися

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

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.

З’ясуємо, з яких причин може різко збільшитися сила струму в електричному колі звичайної квартири. Для цього згадаємо закон Ома:

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

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, якщо сила струму в ньому збільшиться понад норму (рис. 35.5, 35.6).

Рис. 35.5. Автоматичні запобіжники. Робоча части- Рис. 35.6. Плавкі запобіжники, на автоматичного запобіжника — біметалічна плас- застосовувані в радіотехніці, тина. У разі збільшення сили струму понад норму Уздовж осі скляної трубочки біметалічна пластина вигинається, в результаті    з металевими наконечниками

чого коло розмикається. Після охолодження запо- натягнутий тонкий дріт із легко-біжник знову можна повернути в робочий стан    плавкого матеріалу

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

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

Учимося розв'язувати задачі

Задача. Автоматичний запобіжник у квартирному електролічильнику розрахований на силу струму 10 А. Чи спрацює запобіжник, якщо одночасно ввімкнути лампу потужністю 200 Вт, пральну машину потужністю 800 Вт, електричний чайник потужністю 1200 Вт?

Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі слід визначити загальну потужність Р_шг увімкнених споживачів. Якщо P_3ar споживачів менша від максимально можливої потужності струму P_waicc, на яку розрахований запобіжник, то запобіжник не спрацює, якщо більша — він розімкне коло. Максимально можливу потужність струму Р_макс знайдемо, знаючи напругу в мережі (220 В) і силу струму, на яку розрахований запобіжник.

Аналіз результату. Порівнявши значення отриманих потужностей, бачимо, що навантаження в колі сягнуло максимально можливого значення. А оскільки ще є втрата потужності на підвідних проводах, можна стверджувати, що запобіжник спрацює і коло розім-кнеться.

Відповідь: запобіжник 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 коло, якщо сила струму перевищить значення, допустиме для цього кола.

Контрольні запитання

1. Які перетворення енергії відбуваються всередині електронагрівнш ка в разі його ввімкнення в 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 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?

1)    Атом складається з ядра та розташованих навколо нього електронів.

2)    Розмір ядра майже в 10 разів менший, ніж розмір атома.

3)    У нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів.

4)    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 увімкнути в одному відгалуженні проводки.

Фізика і техніка в Україні

Історія Львівського національного університету ім. І. Франка починається в XVII ст.: у 1661 р. польський король підписав диплом, що надавав єзуїтській колегії у Львові «гідність академії і титул університету». За століття, що минули з того часу, університет став одним із найпрестижніших освітніх закладів України. Зараз тут навчається понад 12 тис. студентів; у складі професорсько-викладацького колективу понад 150 докторів наук, професорів, близько 600 кандидатів наук, доцентів. Налагоджено наукові зв'язки з університетами Росії, Угорщини, Німеччини, Франції, Австрії, Бельгії, Великої Британії, Канади, США та ін. Особливо тісними є контакти з польськими навчальними закладами та науковими установами.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар