Номер 5, страница 87 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

5. В чем опасность короткого замыкания цепи?

Решение

Короткое замыкание (КЗ) — это электрическое соединение двух точек цепи с разными потенциалами (например, фазного и нулевого провода или полюсов источника тока) через очень малое, не предусмотренное нормальным режимом работы сопротивление.

Опасность короткого замыкания обусловлена резким и многократным увеличением силы тока в цепи. Это явление описывается законом Ома для полной цепи: $I = \frac{\mathcal{E}}{R+r}$, где $I$ — сила тока, $\mathcal{E}$ — электродвижущая сила (ЭДС) источника, $R$ — сопротивление внешней цепи (нагрузки, например, лампочки или электроприбора), а $r$ — внутреннее сопротивление источника тока.

При коротком замыкании нагрузка фактически отключается, и ток идет по пути с ничтожно малым сопротивлением. Это означает, что внешнее сопротивление $R$ стремится к нулю ($R \approx 0$). В этом случае сила тока, называемая током короткого замыкания, достигает своего максимально возможного значения, ограниченного лишь внутренним сопротивлением источника: $I_{кз} \approx \frac{\mathcal{E}}{r}$. Поскольку внутреннее сопротивление ($r$) у большинства источников питания (сетевых трансформаторов, аккумуляторов) очень мало, сила тока может возрасти в десятки, сотни и даже тысячи раз по сравнению с номинальным (рабочим) значением.

Такой скачок тока порождает несколько крайне опасных последствий:

1. Тепловое действие и пожар. Это самая главная и распространенная опасность. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты $Q$, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока: $Q = I^2 \cdot R_{пр} \cdot t$, где $R_{пр}$ — сопротивление самого проводника. Поскольку ток $I$ увеличивается в сотни раз, количество выделяемой теплоты возрастает в десятки тысяч раз ($100^2 = 10000$). Это приводит к:
   • Мгновенному нагреву проводов до температуры плавления металла.
   • Воспламенению изоляции проводов.
   • Возгоранию близлежащих горючих материалов (деревянных конструкций, обоев, мебели, пыли), что является частой причиной пожаров.
2. Повреждение и разрушение электрооборудования.
   • Огромный ток сжигает чувствительные компоненты электронных приборов, подключенных к сети.
   • Источник питания (аккумулятор, генератор, трансформатор) испытывает экстремальную перегрузку, на которую он не рассчитан, что приводит к его быстрому выходу из строя, а иногда и к разрушению.
   • В аккумуляторах (особенно свинцово-кислотных и литий-ионных) интенсивный нагрев может вызвать закипание электролита, что приводит к резкому повышению давления и взрыву корпуса с разбрызгиванием едких химикатов.
3. Электродинамическое действие. Взаимодействующие магнитные поля, создаваемые токами в соседних проводниках, порождают механические силы. Сила этого взаимодействия также пропорциональна квадрату тока. В бытовых условиях эти силы малы, но в мощных электроустановках (на подстанциях, в распределительных щитах) при коротком замыкании они могут достигать таких величин, что способны изгибать и ломать массивные медные или алюминиевые шины и разрушать изоляторы.
4. Риск поражения электрическим током. Оплавление изоляции оголяет провода, находящиеся под напряжением, что создает смертельную опасность для человека при прикосновении. Кроме того, при КЗ может возникнуть электрическая дуга — мощный газовый разряд с очень высокой температурой, способный вызвать тяжелые ожоги и повредить зрение.

Для предотвращения этих последствий в электрических цепях обязательно используются защитные устройства — плавкие предохранители и автоматические выключатели, которые практически мгновенно разрывают цепь при возникновении тока короткого замыкания.

Ответ: Главная опасность короткого замыкания заключается в резком и многократном возрастании силы тока, что приводит к интенсивному выделению тепла. Это вызывает плавление проводов, воспламенение их изоляции и может стать причиной пожара. Кроме того, сверхтоки повреждают и разрушают электроприборы и источники питания, могут вызвать взрыв аккумуляторов и механические разрушения в мощных установках, а также создают повышенный риск поражения человека электрическим током.