§ 28. Коротке замикання. Змішане з'єднання. Коротке замикання

Іноді трапляється так, що один із паралельних опорів стає дуже малим - це називають «коротким замиканням». Тоді загальний опір ділянки і напруга на ній також стають дуже малими, а струм дуже великим.

ПРИКЛАД 28.Ί

Напруга в наших квартирах U = 220 В.

Припустимо, що електричні провідники, які живлять прилади, зроблена з мідного дроту перерізом 1 мм². Загальна довжина провідників у квартирі, напевно, не перевищує 100 м, тому можна припустити, що опір провідників дорівнює 1,7 Ом.

Якщо виникне коротке замикання, а це буває, коли пошкоджується ізоляція провідників і між ними виникає контакт з дуже маленьким опором, то паралельно до усіх приладів виникне опір 1,7 Ом і загальний опір стане ще меншим. Тоді виникне струм короткого замикання силою / = 220 В / 1,7 Ом =

= 129 А. Така велика сила струму спричинить сильне нагрівання провідників, що може призвести до пожежі.

Для запобігання таким випадкам струм у квартиру подається через запобіжники (мал. 28.2). Найпростіший запобіжник - це тонка дротина, зроблена

зі сплаву з низькою температурою плавлення (мал. 28.2, а). Запобіжник розрахований на певну максимальну силу струму (від 2 до 25 А), при якій він плавиться, і струм у колі припиняється, не встигнувши нагріти провідники. Якщо ви були присутні при короткому замиканні, то помітили, що світло у квартирі відразу гасне.

Автоматичні запобіжники містять всередині спеціальну ніхромову спіраль (мал. 28.2, б). Її розігрівання спричинює вигинання біметалевої пластинки, що звільняє пружину вимикача, який різко вимикає струм (при цьому чути різкий звук). Після усунення короткого замикання такий запобіжник приводять у робочий стан простим натисканням кнопки або перемиканням.

При короткому замиканні вся енергія виділяється всередині джерела, яке нагрівається і псується. Якщо вам не шкода батарейки для наукових цілей, то можете провести такий дослід. Затисніть короткозамкнуту батарейку в руці - вже через 5-Ю с ви відчуєте, що вона нагрілася.

Змішане з'єднання

Змішаними називають з'єднання, коли споживачі з'єднані і паралельно, і послідовно. Інколи схема досить заплутана і доводиться її аналізувати, щоб зрозуміти, як все-таки з'єднані резистори. Буває і так, що його неможливо назвати ні послідовним, ні паралельним, і тоді треба застосовувати спеціальні методи розрахунку струмів, опорів і напруг.

ПРИКЛАД 28.3

Ділянка кола а-с складається з чотирьох резисторів: Я, = 5 Ом, R₂ =3 Ом, R_i = 2Ом і R₄ =3,5 Ом (мал. 28.3). Поясніть, як вони з'єднані, та знайдіть загальний опір цієї ділянки.

Розв'язання:

1. Резистори R₂ і R_i з'єднані послідовно, тому їх загальний опір дорівнює 5 Ом. Це означає, що одним резистором 5 Ом можна замінити два послідовно з'єднані резистори 3 Ом і 2 Ом.

. 2. Обидва резистори R₂ і R_i з'єднані паралельно з резистором R_r Тому загальний опір ділянки ah дорівнює:

a R_ab = 2,5 Ом. Отже, усі три резистори ділянки а-Ь можна було б замінити одним резистором R_ah = 2,5 Ом.

Зауваження. Оскільки опори паралельних гілок ділянки a-h однакові, то можна було відразу усно порахувати загальний опір, який дорівнює половині опору однієї з ділянок, тобто 5 :2 = 2,5 Ом.

3. Ділянка а-Ь з'єднана з резистором R₄ послідовно. Загальний опір ділянки а-с дорівнює/?^ = R_ah + R₄ = 6 Ом.

Відповідь: 6 Ом.

Схеми з вимикачами і тумблерами

Вимикачі є управляючими елементами електричного кола. Простий вимикач має два стійкі положення і два контакти для з'єднання провідників: «ввімкнено» і «вимкнено»

(мал. 28.4, а). Вимикач з трьома виводами і двома стійкими положеннями називають тумблером, він може вмикати один із двох приладів (мал. 28.4, б). Інколи тумблер має, крім двох «вмикаючих» положень, ще й нейтральне положення, в якому він вимкнутий (мал. 28.4,в). Він має чотири виводи і використовується, наприклад, для вмикання сигналів повороту на автомобілі.

Крім названих, є ще перемикачі, які називаються «пакетними» (мал. 28.4,г). Вони можуть вмикати одразу багато електричних приладів. Такий перемикач знаходиться в мультиметрі, яким ви користуєтеся при проведенні дослідів.

На застосуванні великої кількості (мільйонів) електронних перемикачів, виготовлених на основі транзисторів, базується робота комп'ютерного процесора.

ПРИКЛАД 28.4

Дано два простих вимикача. Складіть схему електричного кола, в якому можна вмикати (і вимикати) або дві, або три, або п'ять лампочок люстри.

Розв'язання: Схема зображена на малюнку 28.5. Лампочки увімкнено паралельно, щоб напруга на них була однакова. Вимикач S₁ вмикає-вимикає дві паралельно з'єднані лампи. Вимикач S₂ вмикає-вимикає три лампи. S- міжнародне позначення вимикача (від англ, switch - вимикач). Два перекреслені кружечки на схемі означають клеми джерела струму.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

При короткому замиканні опір одного з паралельно з'єднаних провідників стає дуже малим, що приводить до різкого зростання загального струму в колі.

При змішаному з'єднанні приладів важливо в першу чергу вияснити, які ділянки містять паралельне з'єднання, а які - послідовне.

При короткому замиканні джерела струму (тобто коли опір зовнішнього

кола R = 0), струм досягає максимального значення і дорівнює

ВПРАВА №28

1.    Чи зміниться загальний опір ділянок ah та ас (див. мал. 28.3), якщо R₂ і /?₃ замінити одним резистором, опір якого дорівнює 5 Ом?

2.    Яким повинен бути опір резистора, що ним можна замінити всю ділянку ah (див. мал. 28.3), щоб опір ділянки ас не змінився?

3.    Знайдіть силу струму і напругу на всіх резисторах ділянки кола (мал. 28.6). R₁ = 20 Ом, R₂ = ЮОмі/?₃ = 15 Ом, R₄ = 4 Ом. Амперметр показує силу струму 2 А.

4.    Напруга між точками a-h дорівнює 60 В (мал. 28.7). а) Знайдіть силу струму через резистори R₁ = 5 Ом,R₂ = 10 Ом і R_i= 15 Ом. Яка напруга: б) на резисторі R₁, в) на клемах джерела?

5.    Знайдіть силу струму у резисторах Я, = 3 Ом, R, = 2 Ом і R_i = 3 Ом, якщо амперметр показує силу струму 5 А (мал. 28.8).

6.    Поясніть, як може виникнути коротке замикання і для чого потрібні запобіжники.

7.    Чим відрізняється тумблер від вимикача?

8.    Напруга на клемах ділянки кола дорівнює 80 В (мал. 28.9). а) Обчисліть загальний опір ділянки а-Ь. б) Обчисліть загальний опір усієї ділянки, в)

Знайдіть силу струму через резистор K₁ = 5 Ом. г) Яка напруга на ділянці a-bl д) Знайдіть силу струму через резистори R₂ = 5 Ом і K₁ = 10 Ом,

R. = ЗО Ом.

4

9.    * Є два тумблери з двома стійкими положеннями вмикання. Складіть схему, за допомогою якої можна вмикати лампочку при вході в довгий коридор, а при виході з нього - вимикати.

10.    Маючи прості вимикачі, а) складіть схему електричного кола, в якому можна незалежно вмикати (і вимикати) три ялинкові гірлянди. Вважайте, що кожна гірлянда складається з п'яти ламп, розрахованих на напругу 6 В. б) Якою повинна бути напруга джерела?

11.    Амперметр показує силу струму 2,5 А (мал. 28.10): K₁ = 15 Ом, K^ = 5 Ом,

K_i = 20 Ом, K₄ = 20 Ом, К. = 50 Ом,

К₍.= 10 Ом. а) Знайдіть напругу на ділянках а-Ь та c-d і силу струму через кожний резистор, б)* Знайдіть потенціал в усіх вузлових точках а, с, та d, вважаючи, що потенціал в точці Ь дорівнює нулю.

12.    Напруга на ділянці ab (мал. 28.11) дорівнює 16 В. K₁ = 1 Ом, K₂ = 4 Ом і R_i = 1 Ом, K₄ = 4 Ом, K.= 1 Ом, K₆ = 2 Ом, K₇ = 1 Ом, K_fi = 1 Ом, K₉ = 1 Ом.

Знайдіть а) загальний опір кола; б) силу струму і напругу на всіх ділянках кола, в)* Знайдіть потенціал у вузлових точках а, с, т, п та d, вважаючи, що потенціал в точці Ь дорівнює нулю.

13.    В одній кімнаті знаходяться три звичайні вимикачі, а в другій - три лампи, які вмикаються за допомогою цих вимикачів. Треба з'ясувати, який вимикач належить кожній із ламп. Дозволяється тільки один раз піти в кімнату з лампами і подивитися на результат вмикання.

14.    Напруга на клемах джерела дорівнює ЗО В. а) Обчисліть загальний опір кола. Який струм іде через опір б) R1; в) г) R_i; д) R^ ж) амперметр (мал. 28.12), якщо R₁ = 15 Ом, R₂ = R_i = R₄ = 10 Ом? з) Обчисліть потенціали точок а, Ь, с, якщо потенціал точки d прийнятий за нуль.

15.    Одинадцять резисторів опором 1, 2,

З,... 11 Ом з'єднані послідовно і утворюють замкнуте коло (мал. 28.13), тобто кінець одинадцятого резистора приєднано до початку першого (точка «0»). Між якими точками потрібно підключити омметр, щоб він показав а) найменший опір, б) найбільший опір, в) Обчисліть ці опори.

16.    Як обчислюється сила струму короткого замикання гальванічного елемента?

17.    Елемент з EPC 1,5 В і внутрішнім опором 0,5 Ом замкнули на зовнішній опір 5,5 Ом. Знайдіть: а) силу струму в колі; б) напругу на зовнішньому опорі; в) струм короткого замикання цього елемента.

18.    Провідник, опір якого дорівнює 2 Ом, приєднали до елемента з EPC 1,5 В. Сила струму в колі становить 0,5 А. Знайдіть силу струму короткого замикання цього елемента.

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка