Короткое замыкание физика: Физика 8 класс. Короткое замыкание. Предохранители :: Класс!ная физика

Содержание

Физика 8 класс. Короткое замыкание. Предохранители :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ

При прохождении электрического тока металлические проводники нагреваются
и могут даже расплавиться. Сильный нагрев проводов может привести к возгоранию изоляции
и к пожару.
Любой проводник во всех электрических устройствах, а также в бытовых электрических цепях
рассчитан на какой-то определенный максимальный ток, превышение которого ведет к нарушению работоспособности электроаппаратуры и возгоранию.
Практически максимально возможный ток может быть превышен из-за короткого замыкания цепей
по раличным причинам: нарушение изоляции проводов, попадания воды в устройство и т.д.
Короткое замыкание — это такое состояние электрической цепи, когда клеммы источника тока замыкаются накоротко без потребителя электроэнергии (без нагрузки).
Чтобы не возникали недопустимые токи, в электрическую цепь включается предохранитель,
который автоматически размыкает цепь, если ток превысил допустимое значение.

Условное обозначение предохранителя на электрической схеме:

Существуют разные виды предохранителей.

1. Самый простой вид — плавкая вставка. Она применяется, например, в бытовой радиоаппаратуре.
Главная часть — проволчка из легкоплавкого металла, с толщина которой рассчитана на определенный ток. При коротком замыкании проволочка плавится и размыкает цепь.

2. В жилых домах стоят предохранители — пробки. Они более мощные и рассчитаны на большие токи. Есть такое выражение «перегорели пробки». Перегоревшую пробку меняют на новую.

…………………..

3. В настоящее время в домах стоят современные автоматы — предохранители другой конструкции,
но принцип действия остается прежним: не допустить опасный по величине ток !

КНИЖНАЯ ПОЛКА

1. Лошадиная авария.

Устали? — Отдыхаем!

Короткое замыкание. Предохранители

Мы часто говорили о том, что те или иные приборы или электрические цепи рассчитаны на определенную силу тока. Если по какой-то причине сила тока становится больше допустимой, то это может привести к перегреву проводов или даже к пожару. Изучая параллельное соединение, мы говорили, что сила тока в проводе может стать слишком большой, если одновременно включить в сеть много приборов. Но, кроме этого, есть и другая причина, которая называется коротким замыканием. Соединение концов участка цепи проводником, с очень маленьким сопротивлением, по сравнению с сопротивлением цепи — это короткое замыкание. При коротком замыкании, сопротивление цепи резко уменьшается, а, значит, резко увеличивается сила тока.

Самый простой пример короткого замыкания — это прикосновение к открытому контакту. То есть, если сунуть шпильку в розетку, то будет короткое замыкание (не нужно проверять — поверьте на слово). Скажем, сопротивление шпильки в 10 раз меньше. Тогда сила тока увеличится в 10 раз, а количество выделяемой тепловой энергии — в 100 раз по закону Джоуля-Ленца. Ведь количество теплоты, выделяемого током, пропорционально квадрату силы тока.

Таким образом, короткое замыкание может привести к воспламенению проводки. Кроме неправильных действий людей, короткое замыкание возникает и по другим причинам. Чаще всего, это повреждение изоляции проводов. Например, если на улице ветер, а изоляция проводов неисправна, то при соприкосновении двух оголенных проводов возникнет короткое замыкание.

Итак, давайте рассмотрим, что именно происходит при коротком замыкании. Например, вы включаете в розетку телевизор, мощностью 180 Вт. Поскольку напряжение в розетке 220 В, а мощность — это сила тока умножить на напряжение, ток составляет примерно 0,8 А.

А теперь представьте, что с проводом телевизора что-то не так, и ток возвращается в розетку, не проходя через телевизор (то есть коротким путём). Возникнет короткое замыкание. Сопротивление самого провода ничтожно мало по сравнению с сопротивлением телевизора. Поэтому, исходя из закона Ома, ток резко возрастёт, причем в десятки, а иногда и сотни раз.

Чтобы избежать пожаров по причине короткого замыкания — существуют предохранители. Как только сила тока превышает допустимое значение, предохранитель сразу отключает линию. Предохранители стоят в любом электроприборе, чтобы защитить их при перегрузках электрической сети и скачках напряжения. Самый элементарный предохранитель изготавливается из медной проволоки, покрытой оловом.

Он устанавливается на входе электроприборов, и при большой силе тока, проволока попросту плавится и цепь оказывается разомкнутой. Такие предохранители называют плавкими. Существует и другой вид предохранителей, основанных на тепловом действии тока. При слишком большой силе тока возникает перегрев проводов, а, как мы помним, при нагревании тела расширяются. Как только происходит такое расширение, предохранитель выключается автоматически.

В квартирной проводке, эти предохранители находятся на специальном щитке, на вводе проводов в квартиру. Как правило, в квартиру идут несколько проводов, поэтому, к каждому проводу последовательно подключается отдельный предохранитель. Если провода начинают перегреваться, то предохранители автоматически отключаются с характерным щелчком (мы говорим, что «вышибло пробки»).

Наверное, многие замечали такие явления: если включить одновременно на кухне и чайник, и микроволновку, и электрическую плитку, то может вышибить пробки. Или же, если одновременно работает стиральная машина, пылесос и фен, то может произойти то же самое. Поэтому, часто рекомендуется равномерно распределять нагрузку, которую даёт бытовая техника на провода. Нужно либо стараться не использовать несколько приборов одновременно, либо подключить их к разным узлам.

Упражнения.

Задача 1. На рисунке представлены мощность различных электроприборов в ваттах. Как лучше их подключить к домашней проводке, если ток в несущем проводе рассчитан на 33 А.

Мы видим, что в квартиру идут три параллельных узла (условно, кухня, коридор и комната), в каждом из которых должно быть не более 11 А. Напомним, что при параллельном подключении ток в несущем проводе равен сумме токов во всех ответвлениях. Например, несущий провод делится на три параллельных узла. Поэтому максимальный ток в каждом из этих узлов втрое меньше, чем максимальный ток в несущем проводе.

Разумеется, это далеко не самая сложная задача по распределению нагрузки, да и потребители электроэнергии редко думают об этом. Поэтому, необходимо использовать предохранители для предотвращения пожаров и поломки техники.

определение, формула, суть проблемы и последствия

Лет 20 назад на экранах шел фильм «Короткое замыкание». По сюжету из-за грозового разряда в электронике одного робота что-то перемкнуло, после чего он «поумнел», стал думать и чувствовать как человек. В этом фильме ключевую роль в трансформации робота сыграло явление короткого замыкания. Эта история закончилась хорошо. Но такой исход событий — исключение из правил. Чаще всего короткое замыкание в электрической цепи приводит ее в негодность.

Источник: film.ru

Классическая картина короткого замыкания, или на сленге электриков — «кз», — 2 оголенных пересеченных провода, яркая вспышка и громкий хлопок. «Спецэффекты» в реальной жизни сразу наведут на мысль, что что-то идет не так.

Где возникает короткое замыкание?

Возьмем самую простую электрическую цепь. В ней должна быть какая-то нагрузка: это может быть электролампочка, электроплитка, электродвигатель и т.п. Также в цепи есть источник тока, и все эти составляющие соединяются проводами.

Когда электрическая цепь работает в штатном режиме, то ток идет по проводам от источника к нагрузке. Там он выполняет ожидаемую от него работу: преобразуется в световое излучение, если это электролампочка, нагревает спираль, если это электроплитка, и т.д.

Рассмотрим теперь процесс «кз». Это уже будет аварийный режим. Например, по какой-то причине 2 оголенных провода соприкоснулись. В этом случае мы и будем наблюдать яркую вспышку и хлопок. 

А что потом? Потом мы увидим, что наши провода оплавились или даже разорвались. Получается, что и здесь электрический ток сделал свою работу, которая, правда, не была запланирована: 

  1. Если есть оплавленные провода, значит, было тепловое действие тока. 
  2. Если провода разорваны, то присутствовало механическое действие тока. 

Если вглядеться, то мы найдем и химическое действие тока — капли застывшего расплавленного металла на поверхности другого провода. Это хорошо заметно в случаях, когда схлестнулись разные по составу кабели, например, из меди и алюминия. Тогда капельки застывшей меди на алюминиевом проводе будут хорошо заметны. 

Также действие электрического тока будет ощутимо, если использовать стальную отвертку при работе в распределительном щитке и «закоротить» 2 оголенных медных провода. На стальной отвертке тоже будут хорошо заметны капли меди.

Но сам факт того, что «последствия» прохождения электрического тока так хорошо видны, может означать только то, что сила этого тока была достаточно большой. Это так и есть. Токи короткого замыкания, проходящие через место соприкосновения 2 оголенных проводов в десятки и даже сотни раз больше номинальных токов, протекающих в цепи в штатном режиме.

Откуда берутся такие большие токи короткого замыкания?

Давайте вспомним закон Ома для участка цепи. Его формула выглядит так:

 

Взглянув на это выражение, мы можем сделать вывод, что чем меньше сопротивление на данном участке цепи, тем больше ток, протекающий в этом участке, так как R стоит в знаменателе, а U не меняется.

Так вот, при «кз» сопротивление очень маленькое — соприкасаются только провода. Оно гораздо меньше, чем сопротивление любой нагрузки (электролампочки, электроплитки пр.). Согласно законам физики, ток, который всегда стремится идти по пути наименьшего сопротивления, не пойдет через нагрузку, где оно высокое, если есть путь, где его практически нет. Т.е. ток пойдет через место «кз».

Но почему ток короткого замыкания такой большой?

Чтобы объяснить это, вспомним формулировку и запись закона Ома для полной цепи, в которую включен источник тока:

 

Теперь представим, что можем убрать из этой формулы сопротивление нагрузки «R». Что остается? Только внутреннее сопротивление «r» источника тока. Оно всегда гораздо меньше R. Именно это обстоятельство и объясняет высокую величину тока короткого замыкания. И оно же позволяет рассчитать величину токов «кз» теоретически, не проводя экспериментов. Чтобы это сделать, достаточно знать значение ЭДС «ℇ» и внутреннего сопротивления «r».

Как избежать разрушительных последствий короткого замыкания?

Установить соответствующую защиту. В простейшем варианте это может быть плавкий предохранитель. Большой ток быстро его расплавит, и цепь разорвется. 

Второй способ — установка автоматических выключателей, которые за доли секунды разорвут электрическую цепь, если величина тока начнет резко увеличиваться. Своевременный разрыв позволит избежать разрушительного действия «кз» на элементы цепи.

Итак, подведем итоги: 

Короткое замыкание — это нештатный, аварийный режим работы электрической цепи, который приводит к ее выходу из строя. Необходимо предусматривать защиту от токов короткого замыкания и следить за исправностью ее элементов. 

Если вам понравилась статья и хотелось бы еще глубже погрузиться в изучение физических аспектов электрического тока, но не все получается, рекомендуем обратиться к специалистам ФениксХелп. Здесь вам всегда помогут с решением любой учебной задачи.

Конспект урока по физике на тему «Короткое замыкание. Предохранители»

Тема урока «Короткое замыкание и предохранители»

 Цели урока: развивать умение применять знания в незнакомой ситуации; показать связь физики с повседневной жизнью; продолжить изучение правил обращения с электроприборами.

Формируем умения: наблюдать, сравнивать, анализировать, решать задачи.

Тип урока: изучение нового материала.

Оборудование: компьютер, проектор, презентация.

ПЛАН УРОКА

1. Организационный момент.

2. Изложение нового материала.

3. Закрепление изученного материала.

4. Домашнее задание.

5. Подведение итогов.

Ход урока

Здравствуйте.

Сегодняшний урок мы посвятим с вами еще одному вопросу, который вплотную связан с количеством теплоты, которая выделяется при протекании электрического тока по проводнику.

 Этот вопрос связан, в первую очередь, с нашей безопасностью. И можно сказать о том, что большинство того, что у нас происходит с электрическими цепями, это как раз следствие нарушения правил техники безопасности, связанной с протеканием электрического тока по электрическим цепям.

 Необходимо сказать, что электрические цепи в наших домах рассчитаны на определенную силу тока, и, если эта сила тока превышает определенное значение, то, конечно, электрические цепи достаточно сильно нагреваются.

 Итак, темой нашего сегодняшнего урока будут следующие вопросы.

В первую очередь это, конечно, короткое замыкание. Мы сегодня поговорим о том, что такое короткое замыкание.

И второе – как от этого короткого замыкания защититься, т.е. мы будем рассматривать вопрос, связанный с предохранителями.

 Тема нашего сегодня урока, таким образом, это «Короткое замыкание и предохранители».

Итак, возвращаемся к тому, что мы уже обсуждали. Это вопрос, связанный в первую очередь с тем, как протекает электрический ток по электрическим цепям. От чего может в первую очередь повыситься электрический ток в электрической цепи?

Мы знаем, что значение электрического тока характеризуется силой тока и, естественно, сила тока может увеличиваться в зависимости от источников тока. Как вы знаете, источник тока достаточно стабилен, он постоянен, и электрический ток в цепи уже может измениться только за счет того, что мы производим, что мы делаем с этой электрической цепью.

 Итак, что может произойти?

В первую очередь, конечно, сила тока, электрический ток увеличивается в цепи за счет того, что мы подключаем очень много потребителей параллельно друг другу в электрическую цепь к источнику тока. Вы знаете о том, что, если мы будем подключать электрические сопротивления, резисторы параллельно, то в этом случае общее сопротивление электрической цепи, так сложилось, уменьшается. А раз оно уменьшается, значит, в цепи будет возрастать электрический ток.

 Это первое, поэтому никоим образом нельзя включать в электрические цепи большое количество потребителей.

И второе очень важное замечание. Это то, что электрический ток может увеличиться, если произойдет в результате ремонта или какой-то случайности соприкосновение оголенных проводов. В этом случае тоже резко возрастает электрический ток в цепи.

 А последствия этого увеличения уже следующие. Как только нарастает электрический ток, тут же плавится проводка, обмотка этих проводов и, соответственно, возникает пожар. Поэтому говорить о том, что будет происходить, если увеличивается электрический ток в цепях уже смысла нет. Все об этом знают. Все понимают, что в этом случае как раз и будет происходить короткое замыкание.

 Короткое замыкание – это ситуация, когда два коснувшихся рядом провода приводят к тому, что электрическое сопротивление на данном участке резко уменьшается там, где соприкоснулись эти провода. И, соответственно, если уменьшается электрическое сопротивление, возрастает сила тока. Вот это как раз и приводит к очень мощному нагреванию данного участка.

 

Обращаю ваше внимание, что короткое замыкание или, можно сказать еще, включение потребителей – одна сторона вопроса. И вторая сторона, конечно, заключается в том, как себя от этого обезопасить.

И здесь вступает в дело предохранитель.

Что такое предохранитель?

В данном случае мы должны понимать, что предохранитель выполняет функцию защиты электрической цепи от изменения электрического тока. Если в цепь будет включен такой предохранитель то, естественно, он должен, каким-то образом отключить изменение электрического тока, уменьшить его значение таким образом, чтобы все, что у нас включено, все приборы и сама электрическая цепь осталась невредимыми.

Как это делается?

В первую очередь необходимо сказать о таком приборе, как плавкий предохранитель. Само слово «плавкий» говорит о том, что он расплавляется. Он устроен достаточно просто. Это, как правило, тонкая стеклянная или керамическая трубочка, внутри которой проходит тонкий провод, присоединенный к двум концам. Когда электрический ток, протекая, включается этот элемент последовательно в электрическую цепь и когда электрический ток повышается, соответственно, увеличивается количество теплоты, и этот волосок, находящийся внутри такого корпуса, расплавляется. Поэтому называется плавким. Цепь, таким образом, размыкается и, соответственно, уже никакого короткого замыкания, никакого пожара быть не может.

Кроме этого, можно сказать и о том, что такой предохранитель можно поставить не только на электрической цепи, там, где электрическая цепь подключается к нашим сетям, но и в приборах, и таким образом мы можем обеспечить двойную защиту и самой электрической цепи, и наших приборов.

И если один из приборов вышел из строя, то вся электрическая цепь останется невредимой.

 Кроме плавких предохранителей существуют еще и предохранители, которые работают на расширении тел, т.е. достаточно часто на сегодняшний день встречаются такие предохранители, которые размыкают электрическую цепь автоматически тогда, когда в ней повышается электрический ток. Если ток повысился, значит, соответственно, элемент данного предохранителя нагрелся, он расширился, и автоматически происходит разрыв в цепи.

 

Обращаю ваше внимание, что все предохранители, какие бы они ни были, обозначаются одним и тем же способом.

Это прямоугольник, через который пропускается проводник.

Обращаю ваше внимание на то, что в данном случае подчеркивается, что этот проводник изолирован, т.е. он тонкий, и он достаточно хорошо проводит электрический ток. Но разрушается, как только электрический ток в нем повышается. Вот это и есть плавкий предохранитель. Это обозначение предохранителя на схемах. Вот так он и устроен.

 Обращаю также ваше внимание на то, что предохранители, которые используются в современных электрических цепях, конечно, имеют самое разное устройство, но принцип один: как можно быстрее сработать по увеличению электрического тока. Увеличился электрический ток – он тут же должен сработать на размыкание цепи.

 Можно сказать и то, что на сегодняшний день уже обеспечивается многократная защита электрических цепей, и можно говорить о том, что эта защита на разных участках расположенная дает возможность защитить электрические цепи в крупном масштабе. Там, где срабатывают такие системы, они не дают возможности повреждения схем электрических в домах, в квартирах или, может быть, даже в целом районе.

 Можно сказать еще такую довольно любопытную вещь про предохранители. Предохранители на сегодняшний день, как правило, это предохранители уже многоразовые, т.е. сами по себе плавкие предохранители все-таки используются уже достаточно редко. Хотя они встречаются еще и довольно часто. В настоящее время такие предохранители стараются использовать меньше. Всех интересует именно предохранитель такой, который будет многоразовым, т.е. его поставил один раз, и он уже на долгое время сохраняет свою деятельность.

 В заключение сегодняшнего урока мне бы хотелось отметить еще и то, что в любом случае человек, сам являясь проводником, должен очень осторожно и аккуратно обращаться с электрическими цепями.

И хотя соблюдается полная защита, вот предохранители и разные схемы предохранения, тем не менее, удар электрическим током может быть достаточно серьезным. И оголенная электрическая цепь очень опасна.

Закрепление материала

Решение задач из Лукашика. С 1407 по 1409.

Домашнее задание

§55

Решение задач из Лукашика. 1410.1412.

Короткое замыкание и как его предотвратить

Основная причина пожаров, связанных с нарушением правил устройства и эксплуатации электрооборудования — это короткое замыкание.

Оно возникает из-за нарушения изоляции в электропроводах и кабелях, вызываемое перенапряжением, износом изоляции и механическими повреждениями. Опасность короткого замыкания заключается в увеличении силы тока на сотни тысяч ампер, из-за чего происходит выделение большого количества тепла в проводниках за очень короткий промежуток времени, что в свою очередь, приводит к резкому повышению температуры и воспламенению изоляции.

Чтобы избежать неприятных последствий короткого замыкания, необходимо помнить несколько простых правил:

— Категорически запрещается соединять провода в виде скрутки, так как плотность контактов проводников такого соединения быстро ослабевает и уменьшается площадь их взаимодействия, из-за этого возможно возникновение электрической дуги и искрения, а в последствие и короткого замыкания.

— При проведении скрытой электропроводки, например, за подвесными потолками, в зависимости от степени горючести используемого материала, необходимо использовать кабель не распространяющий горение, или помещать его в стальные трубы с определенной толщиной стенки, которая не прожжется в результате возникновения короткого замыкания.

— Необходимо использовать электропредохранитель, с соответствующей для вашего потребления мощностью. Если предохранитель часто отключается, то возможно где-то есть неполадки в соединениях проводов или вы потребляете большее количество электроэнергии, чем рассчитан ваш предохранитель. В этом случае надо вызвать специалиста, чтобы избежать печальных последствий замыкания сети.

Будьте внимательны и осторожны при обращении с электроприборами! Берегите себя и своих близких!

 

Информация с сайта http://78.mchs.gov.ru/

Отдел надзорной деятельности Центрального района

УНД ГУ МЧС России по городу Санкт‑Петербургу

Физика 8 класс. Короткое замыкание

1. Ознакомьтесь со статьей о коротком замыкании в Википедии. Назовите две основные причины возникновения короткого замыкания и запишите их в таблицу. 2. Прочитайте презентацию, пройдя по ссылке. Представьте ситуацию: в квартире погас электрический свет, при осмотре проволочки предохранителя мальчик обнаружил обрыв, при этом концы обрыва были оплавлены. Что произошло? Зачем был нужен предохранитель и на каком принципе он работал? Указав свою фамилию и инициалы имени и отчества, запишите ответ на вопрос в таблицу, перейдя по ссылке. 3. Прочитайте урок по теме «Короткое замыкание. Предохранители», перейдя по ссылке. Какой закон лежит в основе короткого замыкания? Создайте опорный конспект в документе гугл (может представлять собой текстовый документ, изображения, с помощью сервисов интеллект-карт) по этой теме, добавив картинки. Скажите: какие предохранители (рассчитанные на силы тока 6,3А, 10А, 16А, 25А) следует использовать в квартире Ивановых, если они часто пользуются одновременно пылесосом и микроволновой печью? Мощность пылесоса составляет 1300 Ватт, а мощность микроволновки 800 Ватт. Ответы и обоснование, а также ссылки на опорный конспект, запишите в таблице.  
4. Ознакомьтесь с рассказом одного журналиста.  Что использовал журналист, чтобы получить огонь? Как вы думаете, что именно он изготовил и называл «жучком»? Из-за чего возник пожар? Запишите в этот документ свои ответы. 
5. Прочитайте статью “Действие электрического тока на организм человека”. Опишите, чем так опасен ток для человека? Действие каких токов наиболее опасно для людей? В каких случаях ток может оказать полезное действие на организм человека? Приведите по одному примеру полезного и вредного воздействия тока на организм человека. Ответы запишите в таблицу. Разбейтесь на пары (или тройки) и создайте проект на данную тему. 

Изложите суть проекта по плану:

·        Проблемный вопрос (в качестве названия)

·        Цель проекта

·        Задачи проекта

·        Описание запланированных действий (читали, изучали, искали, проводили, и т.д.)

·        Полный развернутый ответ на проблемный вопрос

·        Вывод

·        Информационные источники

·        Авторы работы

Ссылки на него размещайте сюда. Оцените один из проектов по следующим критериям.

Короткое замыкание | Заметки электрика

Добрый день, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика».

Давно хотел написать статью про короткое замыкание. Но все как то не доходили руки.

Сегодня решился, потому как повлияли на меня последние события, произошедшие на распределительной подстанции нашего предприятия.

Ранее в статьях мы говорили, что повреждения в электроустановках вызывают короткие замыкания, или сокращенно, к.з.

Короткое замыкание — это одно из самых тяжелых и опасных видов повреждения.

Вы спросите почему? Читайте ниже.

Что же такое короткое замыкание?

Википедия на этот вопрос отвечает, что  короткое замыкание — это:

Определение прочитали.

А теперь давайте рассмотрим подробно, что же происходит с параметрами электроустановки в момент короткого замыкания.

При возникновении короткого замыкания,  напряжение на источнике питания, а правильнее назвать ЭДС, замыкается «накоротко» через небольшое (малой величины) сопротивление кабельных и воздушных линий, обмоток трансформаторов и генераторов. Отсюда и название «короткое замыкание».

В «накоротко» замкнутой цепи появляется ток очень большой величины, который и называется током короткого замыкания.

Классификация коротких замыканий

Рассмотрим классификацию коротких замыканий.

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся фаз:

  • трехфазные короткие замыкания
  • двухфазные короткие замыкания
  • однофазные короткие замыкания

Короткие замыкания разделяются по замыканию:

  • с землей
  • без земли

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся точек в сети:

  • в одной точке
  • в двух точках
  • в нескольких точках (более двух)

Пример

Рассмотрим пример.

Допустим, что наш потребитель питается с подстанции через воздушную линию (ВЛ) электропередач. Питающая линия является транзитной, поэтому питание потребителя осуществляется отпайкой от линии ВЛ в точке «О».

Пунктирной линией под номером 2 показан уровень напряжения на протяжении всей воздушной линии до возникновения короткого замыкания. 

По рисунку видно, что напряжение в любой точке электрической сети равно разнице ЭДС источника питания и падения напряжения в электрической цепи до необходимой нам точки.

Например, напряжение в точке «О» можно рассчитать по формуле:

Uо = E — I*Zo, где

  • E — ЭДС источника питания, в нашем случае генератора
  • Zo — полное сопротивление воздушной линий от источника питания до точки «О» (состоит из активного и реактивного сопротивления)
  • I — ток, протекающий по воздушной линии в данный момент времени.

Аналогично, можно рассчитать напряжение в любой точке нашей воздушной линий.

Предположим, что по каким-либо причинам произошло короткое замыкание на воздушной линии, но за пределами нашей отпайки. Назовем эту точку короткого замыкания буквой «К».

Что же произойдет в момент короткого замыкания?

В момент короткого замыкания по воздушной линии проходит уже не номинальный ток, а  ток короткого замыкания большой величины, поэтому возрастает падение напряжения на каждом элементе электрической цепи. А именно на сопротивлении Zo и Zк.

Самое наибольшее снижение напряжения будет в месте короткого замыкания, т.е. в точке «К». В остальных точках воздушной линии, удаленных от места к.з., напряжение снизится чуть меньше (это видно на рисунке — линия под номером 1).

В одной из своих статей я привел наглядный пример расчета токов короткого замыкания. Переходите по ссылочке и знакомьтесь с материалами.

 

Последствия от короткого замыкания

Мы уже выяснили, что в момент короткого замыкания происходит резкое увеличение величины тока и снижение напряжения, что приводит к следующим последствиям.

1. Разрушения

Вспомним немного физику.

По закону известного физика Джоуля-Ленца, ток короткого замыкания, протекая по активному сопротивлению электрической цепи в течение некоторого времени, выделяет в нем тепло, которое рассчитывается по формуле:

В точке короткого замыкания это тепло, а также пламя электрической дуги, производят огромные разрушения. И чем больше ток короткого замыкания и время его прохождения по цепи, тем больше будут разрушения.

Чтобы было понятно Вам насколько эти разрушения масштабны, ниже приведу примеры из своей практики.  

Короткое замыкание в кабине трансформаторов

Привод переключающего устройства РПН. Короткое замыкание произошло в обмотке асинхронного двигателя

2. Повреждение изоляции

Во время прохождения тока короткого замыкания по неповрежденным линиям, происходит их нагрев выше предельной допустимой температуры, что приводит к повреждению их изоляции.

Активная часть трансформатора. Короткое замыкание произошло по причине повреждения изоляции

Повреждение изоляции кабельной линий привело к короткому замыканию

Короткое замыкание кабеля. Последствия

3. Потребители и электроприемники

Снижение напряжения при коротком замыкании нарушает нормальную работу потребителей и электроприемников электрической энергии.

Например, асинхронный электродвигатель  при снижении напряжения сети может вообще остановиться, т.к. момент его вращения может оказаться меньше момента сопротивления и трения механизмов.

Также нарушается нормальная работа и осветительных остановок. Здесь я думаю объяснять не требуется.

Смотрите наглядное видео про причины и последствия короткого замыкания в электроустановке 400 (В) на одной из наших подстанций:

А вот уже случай по-серьезнее — трехфазное короткое замыкание в сети 10 (кВ).

Вот еще фрагменты аварии, которая возникла по причине короткого замыкания в разделке кабеля 10 (кВ):

P.S. В завершении статьи на тему короткое замыкание, хочется подтвердить сказанное в начале своей статьи, что короткое замыкание является самым опасным и тяжелым видом повреждения, которое требует мгновенного и быстрого реагирования и отключения поврежденного участка цепи.  

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:


Школа инженерии Массачусетского технологического института | »Что такое короткое замыкание?

Что такое короткое замыкание?

Электроэнергия по простому пути

Мэг Мерфи

Детям говорят: никогда не вставляйте металлический нож в подключенный тостер. Вы рискуете получить удар электрическим током или загореться тостер.

Страх: короткое замыкание. Чтобы нагреватель внутри тостера работал, электрический ток должен проходить внутри его проводящего металлического материала. Этот ток проходит через замкнутую цепь, которая является петлей.Металлический нож, однако, дает электричеству дополнительный путь передвижения — и он его возьмет.

«Короткое замыкание — это соединение между двумя частями электрической цепи, в которых вы не хотите находиться», — говорит Карл Берггрен, профессор электротехники факультета электротехники и информатики. Он также возглавляет группу квантовых наноструктур и нанофабрикатов в исследовательской лаборатории электроники.

«Когда вы строите электрическую цепь, вы пытаетесь заставить ток проходить по определенным путям для выполнения определенных функций», — объясняет он.«В случае тостера, когда вы подносите нож к нагревательному элементу, он сокращает ток. Этот новый путь проще, чем проходить через нагревательный элемент, который оказывает сильное сопротивление потоку ».

Итак, что именно происходит, когда электричество меняет курс? Во-первых, говорит Берггрен, ваш тостер перестает работать. «Ваше устройство не будет работать должным образом, потому что ток идет не туда, куда оно должно идти», — говорит он. А потом становится еще хуже, очень и очень быстро.«Поскольку металлический объект, вызывающий короткое замыкание в цепи, более проводящий, в него может протекать большой ток». За миллисекунды ток может стать в тысячи раз больше обычного. Бум.

Так что будьте осторожны, когда ветка дерева замыкает провода на линии электропередачи. Мокрая древесина — это идеальный путь для электрического тока с низким сопротивлением, и мы знаем, что это значит. Жара, искры и неприятности впереди…

Добавлено: 11 ноября, 2017

Виды короткого замыкания

Что такое короткое замыкание?

Короткое замыкание — это неисправность.Это означает, что от одной стороны компонента к другой существует путь с очень низким сопротивлением. Например, мог отсоединиться провод, соединяющий две стороны цепи вместе. Или, возможно, на поверхности компонента есть влага, что означает, что ток может его обойти.

Провод или влага замыкают цепь, потому что длина токопроводящего пути к батарее уменьшилась.

Короткое замыкание заставляет цепь вести себя так, как если бы компонента не было.Компонент перестает работать (в конце концов, его там нет), и ток повсюду в этой цепи увеличивается, что может повредить другие компоненты или, в крайних случаях, вызвать пожар.

Итак, как мы можем объяснить шорты? Очень вводящий в заблуждение способ объяснить их — сказать, что ток идет самым легким путем.

Замыкание одного компонента, который включен последовательно с другими

Когда вы подключаете провод к клеммам лампы, вы фактически создаете небольшую параллельную цепь.Проблема с параллельными цепями в том, что эффективное сопротивление меньше наименьшего сопротивления. В этом случае наименьшее сопротивление — это просто провод, а он действительно имеет очень низкое сопротивление.

Моделирование Полное объяснение того, что происходит при коротком замыкании лампы.

Теперь вы уменьшили сопротивление последовательной цепи, и ток повсюду увеличивается. Ток через неразорванную лампочку увеличивается, и поэтому она становится ярче.

Но яркость зависит не только от силы тока.

У вас есть низкое сопротивление (закороченная лампа) последовательно с более высоким сопротивлением (не закороченная лампа), и это меняет способ распределения напряжения по цепи. На большее сопротивление приходится большая часть общего напряжения. Вторая лампочка горит по этим двум причинам: больший ток через нее И большее напряжение на ней. Помните, что напряжение и ток связаны. Ток через вторую лампочку может увеличиваться только потому, что напряжение на ней больше.

Точно так же закороченная лампа имеет очень низкое напряжение на ней, поэтому ток через нее очень мал, и поэтому она гаснет. Короткое замыкание на проводе имеет такое же напряжение, как и на лампе, но у него также очень низкое сопротивление, поэтому ток через провод большой. Ток через провод и ток через лампочку складываются с током через лампочку без короткого замыкания.

Замыкание всей цепи

Это то же самое, что сказать, что источник питания закорочен.В этом случае объяснение того, почему лампочка гаснет, несколько иное.

Анимация, показывающая различные способы короткого замыкания всей цепи, подключив одну клемму батареи напрямую к другой.

Мы снова ввели параллельную цепь, и ее эффективное сопротивление немного меньше, чем у провода. Это означает, что на самом деле нигде в цепи нет никакого сопротивления, и поэтому ток, подаваемый батареей, становится очень большим. Так что батарее приходится очень много работать.

Когда вы много работаете, вы много потеете, и это похоже на то, что делает аккумулятор. Химические реакции в батарее происходят очень быстро, и большая часть выделяемой энергии превращается прямо в тепло, а не передается зарядам в цепи. Это означает, что напряжение намного меньше, чем должно быть. Напряжение на компонентах очень низкое, поэтому ни один из них не работает.

Короткое замыкание этого типа может привести к сильному нагреву аккумулятора. Может даже взорваться!

назад к Уроку 4: Полные схемы

Коротких замыканий: урок для детей — видео и стенограмма урока

Что происходит?

Когда цепь работает должным образом, ток идет от элемента или источника питания, такого как батарея, по электрическим проводам по определенному пути.Это как если бы вы бегали круги по трассе во время занятий физкультурой — примерно 1860 миль в секунду. Поговорим о мировом рекордном темпе!

Ток в конечном итоге встречает резистор, такой как свет или двигатель, который забирает часть электричества для создания тепла, света, звука и т. Д. Давление или сила тока, называемое его напряжением , падает из-за некоторой части электричества. был использован резистор. В конце концов ослабленный ток возвращается обратно в клетку.

При коротком замыкании ток никогда не достигает резистора.Это как срезать дистанцию ​​во время бега и пропустить целую милю забега. В результате резистор не получает электричества, а свет, двигатель или другой механизм не работают. Кроме того, напряжение тока никогда не становится ниже. А когда напряжение остается высоким, провода нагреваются.

При перегреве провода могут:

  • расплавиться
  • дает очень яркий свет, похожий на миниатюрный взрыв
  • загореться
  • дымят и вызывают ужасный запах

Причины короткого замыкания

Короткое замыкание может произойти по ряду причин, но есть также способы их предотвращения.Короткое замыкание может произойти из-за:

  • Провода не изолированы должным образом и касаются друг друга. Это увеличивает напряжение, поскольку ток двух участков провода объединяется в точке, где они соприкасаются. Во время установки могут произойти порезы и разрывы изоляции, а вода может повредить провода.
  • Цепь подключена неправильно. Провода должны быть подключены, чтобы ток шел от ячейки к резистору и обратно. Подобно GPS в вашем автомобиле, провода должны направлять ток в точные места, куда он должен идти.
  • Компоновка и конструкция проводки слишком быстро истощают электрическую батарею или батарею, вызывая более высокий ток напряжения по проводам.

Для защиты от опасности короткого замыкания:

  • Провода должны быть проверены, а их изоляция должна быть полностью исправной.
  • Электрики должны включить в каждую цепь заземляющий провод, который направляет любое избыточное напряжение электрического тока на землю.Это снижает вероятность поражения электрическим током и возгорания.
  • Предохранители и автоматические выключатели могут использоваться для отключения электрического тока, если напряжение становится слишком высоким. Если напряжение тока становится слишком высоким, плавкий предохранитель плавится или автоматический выключатель «срабатывает» и действует как контрольно-пропускной пункт, чтобы остановить цепь.

Краткое содержание урока

Короткое замыкание происходит, когда ток не проходит по предполагаемому пути электрической цепи.Ток — это поток электричества. Давление или сила тока, называемые напряжением , становятся слишком высокими, что может привести к электрическому возгоранию. Существуют способы защиты от опасностей короткого замыкания, такие как осмотр проводов и обеспечение полной целостности их изоляции, включая заземляющий провод в каждой цепи, а также использование предохранителей и автоматических выключателей для отключения электрического тока в случае слишком высокого напряжения. .

Учебное пособие по физике: Мощность: заставляем заряды работать

Электрические цепи предназначены для выполнения полезной функции.Простое перемещение заряда от терминала к терминалу мало полезно, если электрическая энергия, которой обладает заряд, не преобразуется в другую полезную форму. Установка в цепь батареи и провода, идущего от положительной к отрицательной клемме без электрического устройства (лампочка, звуковой сигнал, двигатель и т. Д.), Приведет к высокой скорости потока заряда. Такая цепь обозначается как короткое замыкание . При быстром прохождении заряда между терминалами скорость потребления энергии будет высокой.Такая схема нагревает провода до высокой температуры и довольно быстро истощает батарею. Когда цепь оснащена лампочкой, звуковым сигналом или двигателем, электрическая энергия, подаваемая на заряд аккумулятором, преобразуется в другие формы в электрическом устройстве. Лампочка, звуковой сигнал и двигатель обычно называют нагрузкой . В лампочке электрическая энергия преобразуется в полезную световую энергию (и некоторую бесполезную тепловую энергию). В бипере электрическая энергия преобразуется в звуковую.А в двигателе электрическая энергия преобразуется в механическую.

Электрическая цепь — это просто инструмент преобразования энергии. Энергия подается в схему от электрохимического элемента, батареи, генератора или другого источника электроэнергии. И энергия передается по цепи к нагрузке в месте расположения нагрузки. Скорость, с которой происходит это преобразование энергии, имеет большое значение для тех, кто проектирует электрические цепи для полезных функций. Мощность — скорость, с которой выполняется механическая работа — была введена в модуле 5 физического кабинета.Здесь мы обсудим мощность с точки зрения электричества; хотя контекст изменился, сущностный смысл концепции власти останется прежним. Мощность — это скорость, с которой электрическая энергия подается в цепь или потребляется нагрузкой. Электрическая энергия подается на нагрузку от источника энергии, такого как электрохимический элемент. Вспомните из Урока 1, что ячейка действительно работает с зарядом, чтобы переместить его с терминала с низкой энергией на терминал с высокой энергией. Работа, совершаемая с зарядом, эквивалентна изменению электрической потенциальной энергии заряда.Таким образом, электрическая мощность, как и механическая мощность, — это скорость, с которой выполняется работа. Как и ток, мощность — это величина скорости. Его математическая формула выражается на основе на раз.

Независимо от того, идет ли речь о энергии, полученной зарядом в источнике энергии, или энергии, потерянной зарядом в нагрузке, электрическая мощность относится к скорости, с которой заряд изменяет свою энергию. В электрохимической ячейке (или другом источнике энергии) изменение является положительным (т.е.е., выигрыш в энергии), а при нагрузке изменение представляет собой отрицательное изменение (т. е. потерю энергии). Таким образом, мощность часто называют скоростью изменения энергии, и ее уравнение выражается как изменение энергии за время. Как и механическая мощность, единицей электрической мощности является Вт , сокращенно Вт . (Совершенно очевидно, что важно не путать символ W как единицу мощности с символом W для количества работы, выполняемой источником энергии при зарядке.) Ватт мощности эквивалентен доставке 1 джоуля энергии каждую секунду. Другими словами:

1 ватт = 1 джоуль в секунду

Когда наблюдается, что электрическая лампочка рассчитана на 60 Вт, то каждую секунду к лампочке доставляется 60 джоулей энергии. 120-ваттные лампочки потребляют 120 джоулей энергии каждую секунду. Отношение энергии, доставленной или израсходованной устройством ко времени, равно мощности устройства .

Киловатт-час

Электроэнергетические компании, обеспечивающие дома энергией, ежемесячно вносят в эти дома счет за использованную электроэнергию.Типичный счет может быть очень сложным, когда в нем есть ряд строк, в которых указывается плата за различные аспекты коммунальных услуг. Но где-то в счете будет плата за количество израсходованных киловатт-часов электроэнергии. Что такое киловатт-час? Это единица мощности? время? энергия? или какое-то другое количество? И когда мы платим за потребляемую электроэнергию, за что именно мы платим?

Тщательный осмотр агрегата киловатт-час дает ответы на эти вопросы.Киловатт — это единица мощности, а час — это единица времени. Таким образом, киловатт • час — это единица мощности • времени. Если мощность = Δэнергия / время, то мощность • время = Δэнергия. Итак, единица мощности • время — это единица энергии. Киловатт • час — это единица энергии. Когда электроэнергетическая компания взимает с домохозяйства плату за использованную электроэнергию, они взимают плату за электроэнергию. Коммунальная компания в США отвечает за обеспечение того, чтобы разность электрических потенциалов на двух основных проводах дома составляла от 110 до 120 вольт.А поддержание этой разницы потенциалов требует энергии.

Распространено заблуждение, что коммунальные предприятия поставляют электроэнергию в виде носителей заряда или электронов. Дело в том, что подвижные электроны, которые находятся в проводах наших домов, будут там, независимо от того, существует ли коммунальная компания или нет. Электроны приходят с атомами, которые составляют провода наших домашних цепей. Коммунальная компания просто предоставляет энергию, которая вызывает движение носителей заряда в бытовых цепях.И когда они взимают с нас несколько сотен киловатт-часов электроэнергии, они выставляют нам счет за электроэнергию.

Разность электрических потенциалов на двух вставках бытовой электросети зависит от страны. Используйте виджет Household Voltages ниже, чтобы узнать значения напряжения в домашних условиях для различных стран (например, США, Канады, Японии, Китая, Южной Африки и т. Д.).

Расчетная мощность

Скорость, с которой энергия передается в электрическую лампочку по цепи, связана с разностью электрических потенциалов, установленной на концах цепи (т.е.е. номинальное напряжение источника энергии) и ток, протекающий по цепи. Связь между мощностью, током и разностью электрических потенциалов может быть получена путем объединения математических определений мощности, разности электрических потенциалов и тока. Мощность — это скорость, с которой энергия добавляется в цепь или удаляется из нее аккумулятором или нагрузкой. Ток — это скорость, с которой заряд проходит через точку в цепи. А разность электрических потенциалов на двух концах цепи — это разность потенциальной энергии на заряд между этими двумя точками.В форме уравнения эти определения можно сформулировать как

Уравнение 3, приведенное выше, можно переформулировать, чтобы показать, что изменение энергии на двух концах цепи является произведением разности электрических потенциалов и заряда — ΔV • Q. Подставив это выражение для изменения энергии в уравнение 1, вы получите следующее уравнение :

В приведенном выше уравнении в числителе стоит Q , а в знаменателе — t .Это просто ток; и, как таковое, уравнение можно переписать как

Электрическая мощность — это просто произведение разности электрических потенциалов и силы тока. Чтобы определить мощность батареи или другого источника энергии (то есть скорость, с которой он передает энергию в цепь), нужно просто взять разность электрических потенциалов, которую он устанавливает во внешней цепи, и умножить ее на ток в цепи. Чтобы определить мощность электрического устройства или нагрузки, нужно просто взять разность электрических потенциалов на устройстве (иногда называемую падением напряжения) и умножить ее на ток в устройстве.

Как обсуждалось выше, мощность, подаваемая на электрическое устройство в цепи, связана с током в устройстве и разностью электрических потенциалов (то есть напряжением), приложенной к устройству. Используйте виджет Electric Power ниже, чтобы исследовать влияние переменного тока и напряжения на мощность.

Проверьте свое понимание

1.Назначение каждой цепи — подавать энергию для работы различных электрических устройств. Эти устройства сконструированы для преобразования энергии текущего заряда в другие формы энергии (например, световую, тепловую, звуковую, механическую и т. Д.). Используйте полные предложения, чтобы описать преобразования энергии, которые происходят в следующих устройствах.

а. Дворники на авто

г. Схема размораживания автомобиля

г. Фен

2.Определите …

а. … ток в 60-ваттной лампочке, подключенной к розетке на 120 вольт.

г. … ток в 120-ваттной лампочке, подключенной к 120-вольтовой розетке.

г. … мощность пилы, которая потребляет ток 12 ампер при подключении к розетке на 120 вольт.

г. … мощность тостера, который потребляет ток 6 ампер при подключении к розетке на 120 вольт.

e. … ток в 1000-ваттной микроволновой печи, подключенной к розетке на 120 вольт.

3. Ваша 60-ваттная лампочка подключена к домашней розетке на 110 вольт и оставлена ​​включенной на 3 часа. Коммунальная компания взимает с вас 0,11 доллара за киловатт • час. Объясните, как можно рассчитать стоимость такой ошибки .

4. Альфредо деДарк часто оставляет бытовую технику включенной без уважительной причины (по крайней мере, по словам его родителей).Семья деДарк платит 10 центов за киловатт-час (т. Е. 0,10 доллара за киловатт-час) за электроэнергию. Выразите свое понимание взаимосвязи между мощностью, электрической энергией, временем и затратами, заполнив приведенную ниже таблицу.

Номинальная мощность

(Ватт)

Время

(часы)

Используемая энергия

(киловатт-час)

Стоимость

(центов)

Стоимость

($)

Лампа на 60 Вт 1 0.060 кВт • час 0,6 ¢ 0,006 долл. США
Лампа на 60 Вт 4
Лампа 120 Вт 2
Лампа на 100 Вт 10 кВт-ч
Лампа на 60 Вт 1000 ¢ 10 долларов США
100 60 кВт-ч

% PDF-1.7 % 3113 0 объект > эндобдж xref 3113 133 0000000016 00000 н. 0000004562 00000 н. 0000004932 00000 н. 0000004978 00000 н. 0000005064 00000 н. 0000005751 00000 п. 0000006389 00000 п. 0000006441 00000 н. 0000006491 00000 н. 0000006606 00000 н. 0000006857 00000 н. 0000007495 00000 н. 0000009585 00000 п. 0000010141 00000 п. 0000010590 00000 п. 0000010847 00000 п. 0000011446 00000 п. 0000011711 00000 п. 0000012196 00000 п. 0000012754 00000 п. 0000013012 00000 п. 0000013618 00000 п. 0000045647 00000 п. 0000071610 00000 п. 0000094207 00000 п. 0000094261 00000 п. 0000115014 00000 н. 0000115835 00000 н. 0000124608 00000 н. 0000132825 00000 н. 0000136392 00000 н. 0000136618 00000 н. 0000142950 00000 н. 0000143179 00000 н. 0000145004 00000 н. 0000145216 00000 н. 0000146978 00000 н. 0000147192 00000 н. 0000147537 00000 н. 0000147745 00000 н. 0000148730 00000 н. 0000148939 00000 н. 0000157878 00000 н. 0000158112 00000 н. 0000165459 00000 н. 0000165688 00000 н. 0000166953 00000 н. 0000173991 00000 н. 0000176794 00000 н. 0000191184 00000 н. 0000208441 00000 н. 0000228951 00000 н. 0000229384 00000 н. 0000229594 00000 н. 0000248499 00000 н. 0000248775 00000 н. 0000251703 00000 н. 0000251924 00000 н. 0000257228 00000 н. 0000257456 00000 н. 0000266773 00000 п. 0000267012 00000 н. 0000267469 00000 н. 0000267679 00000 н. 0000272884 00000 н. 0000273110 00000 н. 0000277178 00000 н. 0000277401 00000 н. 0000277452 00000 н. 0000277494 00000 н. 0000277535 00000 н. 0000277610 00000 н. 0000277763 00000 н. 0000277867 00000 н. 0000277912 00000 н. 0000278022 00000 н. 0000278067 00000 н. 0000278169 00000 н. 0000278214 00000 н. 0000278366 00000 н. 0000278411 00000 н. 0000278537 00000 н. 0000278582 00000 н. 0000278754 00000 н. 0000278799 00000 н. 0000278961 00000 н. 0000279006 00000 н. 0000279156 00000 н. 0000279201 00000 н. 0000279365 00000 н. 0000279410 00000 н. 0000279524 00000 н. 0000279569 00000 н. 0000279749 00000 н. $% A ) Z | j 欘 rnkf ڲ / V3fyM? ҚP08

Физика солнечных элементов

График зависимости тока от напряжения

График светового и темнового напряжения


В темноте основной структурой солнечного элемента с донорным компонентом, акцепторным компонентом, анодом и катодом является диод.Это представлено более темной кривой на графике. На графике показан график зависимости плотности тока от напряжения. Электроны и дырки вводятся определенным образом в зависимости от того, должно быть достигнуто прямое или обратное смещение. При обратном смещении, когда электроны переходят от анода к катоду, почти не будет тока. Чтобы электроны перешли от анода к катоду, они должны перейти в НСМО донорного компонента. Это будет очень много энергии. С другой стороны, при прямом смещении, когда электроны переходят от катода к аноду, будет инжекционный барьер.Только когда будет преодолен барьер для инъекций, ваш ток начнет течь. Темная кривая представляет собой типичный график зависимости тока от напряжения для диода. Обратное смещение будет производить очень небольшой или незначительный ток, а прямое смещение приведет к очень большому току после порогового значения. Другая более светлая кривая под темной кривой показывает, что происходит при освещении. При освещении фотоны поглощаются донорным компонентом. Если они разъединяются на границе раздела из-за встроенного потенциала, электрон пойдет к катоду, а дырка пойдет к аноду, и у вас будет обратный ток, также называемый фототоком.Хотя внешнее напряжение не подается, при освещении может возникнуть фототок.

Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода


[[Изображение: opv_power_FF.JPG | thumb | 400px] Верхняя кривая — нормальный диод, соответствующий фотоэлектрической батарее в темноте. Нижняя кривая — фотоэлектрическая при освещении.] Фототок называется фототоком короткого замыкания, J sc , потому что есть ток без какого-либо внешнего приложенного напряжения.Как будто в системе произошло короткое замыкание. Фототок на самом деле является током обратного смещения, потому что электроны текут к катоду, а дырки текут к аноду. Если вы начнете подавать напряжение, прямое смещение, начнется компенсация обратного фототока, и в конечном итоге вы достигнете точки, в которой ток упадет до нуля. В этот момент это называется напряжением холостого хода V oc , потому что даже при подаче напряжения ток отсутствует. Это как если бы система или электрическая цепь разомкнулись.В темноте система работает как обычный диод: он имеет прямое смещение после заданного порога и создает большой ток, в то время как обратное смещение дает незначительный ток.

А теперь предположим, что вы излучаете свет, но не применяете никакого потенциала. Когда свет светится, фотоны будут поглощаться и разъединяться на границе раздела. Благодаря встроенному потенциалу электроны будут течь к катоду, а дырки — к аноду, и, таким образом, будет создаваться фототок, соответствующий обратному току.После этого будет применено прямое смещение в точке (0, 0) на графике, так же как темная кривая начнет приобретать наклон. Это создаст ток в направлении, противоположном фототоку, и скомпенсирует его. В какой-то момент ваш ток достигнет нуля при пересечении оси напряжения.

Кривая мощности выше показывает, что при определенном балансе тока и напряжения мощность максимальна.

В правом нижнем квадранте показано прямое смещение с положительными напряжениями и отрицательными токами, поскольку фототок является обратным.Произведение тока и напряжения, J умноженное на V, и есть мощность. Это произведение тока и напряжения, которое дает максимальную мощность. Максимальную мощность, которую можно получить, можно найти, посмотрев на пунктирную обратную линию L. Если бы диодная система была идеальной, фототок был бы ровным до V oc , а затем поднимался бы вверх по вертикали. В целом, продукт J sc и V oc даст идеальную максимальную мощность, которая может быть достигнута в солнечном элементе.

Коэффициент заполнения

В литературе вы встретите людей, говорящих о коэффициенте заполнения (FF), который позволяет легко сравнить производительность ячейки с теоретическим максимумом.Фактор заполнения можно рассчитать следующим образом.

куда:

— ток короткого замыкания

— напряжение холостого хода

— максимальный ток

— максимальное напряжение

Коэффициент заполнения FF — это просто отношение площади синего прямоугольника к бледно-синему прямоугольнику, показанному на графике.Вы хотите, чтобы коэффициент заполнения был как можно больше. Но часто коэффициент заполнения составляет около 40-60%. В наиболее эффективных случаях можно достичь 80-85%. Помните, что энергоэффективность солнечного элемента — это выходная мощность (P макс. ) над входной мощностью (P солнечная энергия ). Его также можно выразить через коэффициент заполнения: энергоэффективность солнечного элемента равна произведению коэффициента заполнения, умноженного на ток короткого замыкания J sc , на напряжение холостого хода V oc на входную мощность. П солнечный .Это выражение часто встречается в литературе, когда люди обсуждают солнечные элементы. Цель состоит в том, чтобы максимизировать коэффициент заполнения, напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Вам нужно, чтобы фототок был как можно больше. Напряжение холостого хода фактически является мерой работы, которую может выполнять генерируемый электрический ток. Чем больше работы выполняется током, тем больше энергии вырабатывается.

10.7: Бытовая электропроводка и электробезопасность

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

  • Перечислите основные концепции домашней электропроводки
  • Определите термины термическая опасность и опасность поражения электрическим током
  • Опишите влияние электрического шока на физиологию человека и его связь с величиной тока, проходящего через тело
  • Объясните функцию предохранителей и автоматических выключателей

Электричество представляет две известные опасности: термическое воздействие и поражение электрическим током.Тепловая опасность — это опасность, при которой чрезмерный электрический ток вызывает нежелательные тепловые эффекты, такие как начало пожара в стене дома. Опасность поражения электрическим током возникает, когда электрический ток проходит через человека. Шок варьируется по степени тяжести от болезненного, но в остальном безвредного, до смертельного, вызывающего остановку сердца. В этом разделе мы количественно рассматриваем эти опасности и различные факторы, влияющие на них. Мы также исследуем системы и устройства для предотвращения поражения электрическим током.

Термические опасности

Электроэнергия вызывает нежелательные эффекты нагрева всякий раз, когда электрическая энергия преобразуется в тепловую со скоростью, превышающей ее безопасное рассеивание. Классическим примером этого является короткое замыкание , путь с низким сопротивлением между выводами источника напряжения. Пример короткого замыкания показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Тостер включен в обычную бытовую электрическую розетку. Изоляция проводов, ведущих к прибору, изношена, что привело к контакту двух проводов или «короткому замыканию».В результате тепловая энергия может быстро повысить температуру окружающих материалов, расплавив изоляцию и, возможно, вызвать пожар.

На принципиальной схеме показан символ, состоящий из синусоидальной волны, заключенной в круг. Этот символ представляет собой источник напряжения переменного тока. В источнике переменного напряжения напряжение колеблется между положительной и отрицательной максимальной амплитудой. До сих пор мы рассматривали источники напряжения постоянного тока, но многие из тех же концепций применимы к цепям переменного тока.2 R_W \), где \ (R_W \) — сопротивление проводов, а I — ток, протекающий по проводам. Если значение I или \ (R_W \) слишком велико, провода перегреваются. Предохранители и автоматические выключатели используются для ограничения чрезмерных токов.

Опасность поражения электрическим током

Поражение электрическим током — это физиологическая реакция или травма, вызванная прохождением внешнего электрического тока через тело. Эффект от поражения электрическим током может быть отрицательным или положительным. Когда через сердце проходит ток величиной более 300 мА, может наступить смерть.Большинство смертельных случаев от поражения электрическим током происходит из-за того, что ток вызывает фибрилляцию желудочков — очень нерегулярное и часто смертельное сердцебиение. С другой стороны, пострадавшего от сердечного приступа, у которого фибрилляция сердца, можно спасти, ударив током от дефибриллятора.

Последствия нежелательного поражения электрическим током могут различаться по степени тяжести: легкое ощущение в точке контакта, боль, потеря произвольного мышечного контроля, затрудненное дыхание, фибрилляция сердца и, возможно, смерть.Потеря произвольного мышечного контроля может привести к тому, что жертва не сможет отпустить источник тока.

Основными факторами, от которых зависит тяжесть поражения электрическим током, являются

  1. Сумма тока I
  2. Путь, пройденный нынешним
  3. Продолжительность шока
  4. Частота f тока \ ((f = 0 \) для постоянного тока)

Наши тела являются относительно хорошими проводниками электричества из-за содержания в них воды.Опасное состояние возникает, когда тело находится в контакте с источником напряжения и «землей». Термин «земля» относится к большому стоку или источнику электронов, например, к Земле (отсюда и название). Когда есть прямой путь к земле, большие токи будут проходить через части тела с наименьшим сопротивлением и прямой путь к земле. Мера предосторожности, используемая во многих профессиях, — это ношение утепленной обуви. Изолированная обувь препятствует прохождению электронов через ступни к земле, обеспечивая большое сопротивление.При работе с мощными инструментами или любой электрической цепью убедитесь, что вы не обеспечиваете путь для прохождения тока (особенно через сердце). Распространенной мерой предосторожности является работа одной рукой, что снижает вероятность прохождения тока через сердце.

Очень слабые токи проходят через тело безвредно и не чувствуются. Это происходит с вами регулярно без вашего ведома. Порог ощущения составляет всего 1 мА, и, несмотря на неприятные ощущения, разряды, по-видимому, безвредны для токов менее 5 мА.Во многих правилах безопасности значение 5 мА является максимально допустимым током. При токе 5–30 мА и выше ток может стимулировать устойчивые мышечные сокращения, как и обычные нервные импульсы (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Очень большие токи (более 300 мА) заставляют сердце и диафрагму легких сокращаться на время разряда. И сердце, и дыхание останавливаются. Оба часто возвращаются к нормальному состоянию после шока.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Электрический ток может вызывать мышечные сокращения с различными эффектами.(а) Пострадавший «отбрасывается» назад из-за непроизвольных сокращений мышц, разгибающих ноги и туловище. (б) Пострадавший не может отпустить проволоку, которая стимулирует все мышцы руки. Смыкающие пальцы сильнее, чем разжимающие.

Ток является основным фактором, определяющим тяжесть шока. Более высокое напряжение более опасно, но поскольку \ (I = V / R \), сила удара зависит от комбинации напряжения и сопротивления. Например, человек с сухой кожей имеет сопротивление около \ (200 \, к \ Омега \).Если он соприкасается с 120-В переменного тока, ток

\ [I = (120 \, В) (200 \, к \ Омега) = 0,6 \, мА \]

проходит через него безвредно. Тот же человек, намокший насквозь, может иметь сопротивление \ (10,0 \, к \ Омега \), и те же 120 В будут производить ток 12 мА — выше порога «не отпускать» и потенциально опасен.

Электробезопасность: системы и устройства

На рисунке \ (\ PageIndex {3} (a) \) показана схема простой цепи переменного тока без функций безопасности.На практике власть распределяется не так. Для современной бытовой и промышленной электропроводки требуется трехпроводная система , схематично показанная в части (b), которая имеет несколько функций безопасности, с проводами под напряжением, нейтралью и заземлением. Во-первых, это знакомый автоматический выключатель (или предохранитель) для предотвращения тепловой перегрузки. Во-вторых, это защитный чехол вокруг прибора, например тостера или холодильника. Функция безопасности кейса заключается в том, что он предотвращает прикосновение человека к оголенным проводам и электрический контакт с цепью, помогая предотвратить удары.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): (a) Схема простой цепи переменного тока с источником напряжения и одним прибором, представленным сопротивлением R . В этой цепи нет функций безопасности. (b) Трехпроводная система соединяет нейтральный провод с землей в источнике напряжения и в местоположении пользователя, заставляя его быть на нуле вольт и обеспечивая альтернативный обратный путь для тока через землю. Корпус прибора также заземлен до нуля вольт. Автоматический выключатель или плавкий предохранитель защищает от тепловой перегрузки и включен последовательно на активный провод (под напряжением / под напряжением).

В \ (\ PageIndex {3} (b) \) показаны три соединения с землей. Напомним, что заземление — это путь с низким сопротивлением непосредственно к земле. Два заземляющих соединения на нейтральном проводе вынуждают его быть на нулевом вольт относительно земли, давая этому проводу свое название. Таким образом, к этому проводу безопасно прикасаться, даже если его изоляция, обычно белая, отсутствует. Нейтральный провод — это обратный путь для тока, по которому следует замкнуть цепь. Кроме того, два заземляющих соединения обеспечивают альтернативный путь через землю (хороший проводник) для замыкания цепи.Ближайшее к источнику питания соединение с землей может быть на электростанции, а другое — у пользователя. Третье заземление подключается к корпусу устройства через зеленый провод заземления, поэтому на корпусе также должно быть нулевое напряжение. Провод под напряжением или под напряжением (далее именуемый «под напряжением / под напряжением») подает напряжение и ток для работы прибора. Рисунок \ (\ PageIndex {4} \) показывает более наглядную версию того, как трехпроводная система подключается через трехконтактную вилку к устройству.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Стандартная трехконтактная вилка может быть вставлена ​​только одним способом, чтобы обеспечить правильную работу трехпроводной системы.

Изоляционный пластик имеет цветовую кодировку для обозначения проводов под напряжением / под напряжением, нейтрали и заземления, но эти коды различаются по всему миру. Очень важно определить цветовую кодировку в вашем регионе. Полосатые покрытия иногда используются для дальтоников.

Заземление корпуса решает несколько проблем. Самая простая проблема — это износ изоляции на токоведущем / горячем проводе, который позволяет ему контактировать с корпусом, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).При отсутствии заземления возможно сильное поражение электрическим током. Это особенно опасно на кухне, где хорошее соединение с землей обеспечивается водой на полу или водопроводным краном. При неповрежденном заземлении автоматический выключатель сработает, что приведет к ремонту прибора.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Изношенная изоляция позволяет находящемуся под напряжением / горячему проводу непосредственно контактировать с металлическим корпусом этого устройства. (a) Разрыв заземления, человек сильно потрясен.В этой ситуации прибор может работать нормально. (b) При правильном заземлении автоматический выключатель срабатывает, вызывая ремонт прибора.

Прерыватель цепи замыкания на землю (GFCI) — это устройство безопасности, используемое в обновленной электропроводке кухни и ванной комнаты, работающее на основе электромагнитной индукции. GFCI сравнивают токи в токоведущем / горячем и нейтральном проводах. Когда токи под напряжением / под напряжением и токи нейтрали не равны, это почти всегда потому, что ток в нейтрали меньше, чем в проводе под напряжением / под напряжением.Затем часть тока, называемого током утечки, возвращается к источнику напряжения по пути, отличному от нейтрального провода. Предполагается, что этот путь представляет опасность. GFCI обычно устанавливаются на прерывание цепи, если ток утечки превышает 5 мА, допустимый максимально безопасный ток. Даже если ток утечки безопасно уходит на землю через неповрежденный провод заземления, GFCI сработает, что приведет к устранению утечки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.