المنصهر

المناهج: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

فتح المختبر الكامل ↗

الهدف

ملاحظة كيف يحمي المنصهر الدائرة من زيادة الحمل ومن دائرة القصر، ولماذا يُختار تياره المقنن بما يناسب الحمل.

التجهيز

مصدر 6 V ومنصهر 0.5 A وأميتر موصولة بناقلين. بين الناقلين ثلاثة فروع: في الأسفل مصباح 6 V / 0.5 W، وفي الوسط حمل 5.1 Ω خلف مفتاح مفتوح، وفي الأعلى زر ضغط يُحدث دائرة قصر بين الناقلين ما دام مضغوطًا. المصباح مضاء والأميتر يقرأ نحو 83 mA.

خطوات العمل

1. أغلق مفتاح الحمل. انظر إلى المنصهر والمصباح والأميتر.
2. افتح المفتاح. استبدل خرطوشة المنصهر: أزِل العلامة «محترق» في بطاقة معاملات المنصهر.
3. اضبط التيار المقنن على 2 A وأغلق مفتاح الحمل مرة أخرى. سجّل قراءة الأميتر.
4. اضغط الزر مع الاستمرار في الضغط. انظر إلى المنصهر وإلى مؤشر التشغيل في المصدر.
5. حرّر الزر، وافتح مفتاح الحمل، وأعد التيار المقنن إلى 0.5 A، وشغّل المصدر بزر التشغيل فيه.
6. اضغط الزر مرة أخرى. انظر إلى المنصهر وإلى مؤشر التشغيل في المصدر.

النتيجة المتوقعة

يضيف الحمل 5.1 Ω نحو 1 A إلى تيار المصباح، أي أكثر قليلًا من ضعف التيار المقنن للخرطوشة 0.5 A. والخرطوشة الحقيقية سريعة الاستجابة تصمد ثوانيَ عند مثل هذا التيار: تتسرب الحرارة عبر الأغطية الطرفية، وكلما اقترب التيار من العتبة طال صمودها. هنا تحترق بعد نصف ثانية إلى عدة ثوانٍ، ويختلف ذلك من خرطوشة إلى أخرى. تنقطع الدائرة، وينطفئ المصباح، ويقرأ الأميتر 0. وتبقى الخرطوشة المحترقة مفتوحة حتى تُستبدل. وعند تيار أقل من نحو 1.9 ضعف التيار المقنن لا تحترق الخرطوشة أبدًا.

وتتحمل خرطوشة 2 A التيار نفسه: يقرأ الأميتر نحو 1.0 A. لكن تيار دائرة القصر نحو 7 A، أي 3.4 ضعف تيارها المقنن فقط، ومثل هذه الخرطوشة تحتاج إلى عُشر ثانية. أما حماية المصدر من زيادة الحمل فأسرع، 20 ms: يومض مؤشر التشغيل بالأحمر، ويُفصل المصدر، وتبقى الخرطوشة سليمة. الخرطوشة ذات التيار المقنن المبالغ فيه لا تحمي الدائرة.

ومع خرطوشة 0.5 A يبلغ تيار دائرة القصر نحو 6 A، أي 12 ضعف تيارها المقنن: تحترق الخرطوشة في بضعة أجزاء من الألف من الثانية، قبل أن تعمل حماية المصدر من زيادة الحمل، ويبقى المصدر مشغّلًا.

الأسئلة

1. لماذا يوصل المنصهر على التوالي مع الحمل لا على التوازي؟
2. ماذا يحدث إذا ركّبت خرطوشة تيارها المقنن أكبر بكثير من تيار الحمل؟
3. بماذا يتفوق المنصهر على حماية المصدر من زيادة الحمل التي تفصل المصدر كله؟
4. لماذا تحترق الخرطوشة في ثوانٍ عند ضعف التيار، لكن في أجزاء من الألف من الثانية عند دائرة القصر؟

الإجابات

1. على التوالي يمر تيار الحمل كله في المنصهر، وعندما تحترق الخرطوشة تنقطع الدائرة. أما المنصهر الموصول على التوازي فيُحدث دائرة قصر على الحمل بمقاومته الصغيرة ويحترق فورًا، ثم يبقى الحمل موصولًا بالمصدر بلا حماية.
2. تمرر الخرطوشة تيارات أكبر مما يحتمله الحمل وأسلاكه، فتبقى الدائرة بلا حماية. على هذه المنضدة تتحمل خرطوشة 2 A زيادة الحمل البالغة 1 A، وتصمد أمام دائرة القصر البالغة 7 A، أي 3.4 ضعف تيارها المقنن فقط: تفصل حماية المصدر من زيادة الحمل أولًا.
3. يمكن أن يكون لكل فرع منصهره الخاص بتيار مقنن يناسب حمله، فلا يفصل العطل إلا ذلك الفرع ويستمر باقي الدائرة في العمل. على هذه المنضدة تحترق خرطوشة 0.5 A في بضعة أجزاء من الألف من الثانية ويبقى المصدر مشغّلًا؛ أما حماية المصدر فلا تعمل إلا فوق 3 A، وتفصل كل ما هو موصول به.
4. الحرارة المتولدة في السلك هي \(P = I^2 R\). حتى نحو 1.9 ضعف التيار المقنن تتسرب الحرارة عبر الأغطية الطرفية قبل أن يبلغ السلك درجة انصهاره؛ وعند ضعف التيار المقنن يكون التسخين أكبر بقليل فقط، فيقترب السلك من الانصهار ببطء على مدى ثوانٍ. أما في دائرة القصر، عند 12 ضعف التيار المقنن، فالتسخين 144 ضعف القيمة المقننة، وينصهر السلك في أجزاء من الألف من الثانية قبل أن تتسرب الحرارة.