Fusibile

Programmi: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

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Obiettivo

Osservare come un fusibile protegge un circuito dal sovraccarico e dal cortocircuito, e perché la sua corrente nominale va scelta in base al carico.

Il montaggio

Un generatore da 6 V, un fusibile da 0,5 A e un amperometro fanno capo a due barre. Tra le barre ci sono tre rami: in basso una lampadina da 6 V / 0,5 W, al centro un carico da 5,1 Ω dietro un interruttore aperto, in alto un pulsante — cortocircuita le barre finché resta premuto. La lampadina è accesa e l'amperometro indica circa 83 mA.

Procedimento

1. Chiudere l'interruttore del carico. Osservare il fusibile, la lampadina e l'amperometro.
2. Aprire l'interruttore. Sostituire la cartuccia: deselezionare la casella «Bruciato» nel pannello dei parametri del fusibile.
3. Impostare la corrente nominale a 2 A e chiudere di nuovo l'interruttore del carico. Annotare la lettura dell'amperometro.
4. Premere e tenere premuto il pulsante. Osservare il fusibile e la spia di rete del generatore.
5. Rilasciare il pulsante, aprire l'interruttore del carico, riportare la corrente nominale a 0,5 A e accendere il generatore con il tasto di rete.
6. Premere di nuovo il pulsante. Osservare il fusibile e la spia di rete del generatore.

Risultato atteso

Il carico da 5,1 Ω aggiunge circa 1 A alla corrente della lampadina — poco più del doppio della corrente nominale di 0,5 A della cartuccia. Una vera cartuccia rapida a una corrente simile resisterebbe ancora per alcuni secondi: il calore si disperde attraverso le calotte terminali, e più la corrente è vicina alla soglia, più a lungo resiste. Qui si brucia dopo un tempo che va da mezzo secondo a diversi secondi, diverso per ogni cartuccia. Il circuito si interrompe, la lampadina si spegne e l'amperometro indica 0. Una cartuccia bruciata resta aperta finché non viene sostituita. A una corrente inferiore a circa 1,9 volte quella nominale la cartuccia non si brucia affatto.

La cartuccia da 2 A regge la stessa corrente: l'amperometro indica circa 1,0 A. Ma in un cortocircuito la corrente è di circa 7 A — solo 3,4 volte la sua corrente nominale, e a una cartuccia del genere serve un decimo di secondo. La protezione contro il sovraccarico del generatore è più rapida, 20 ms: la spia di rete lampeggia in rosso, il generatore si spegne e la cartuccia resta integra. Una cartuccia sovradimensionata non protegge il circuito.

Con la cartuccia da 0,5 A la corrente di cortocircuito, circa 6 A, è 12 volte la sua corrente nominale: la cartuccia si brucia in pochi millisecondi, prima che intervenga la protezione contro il sovraccarico del generatore, e il generatore resta acceso.

Domande

1. Perché un fusibile si collega in serie al carico e non in parallelo?
2. Che cosa succede se si monta una cartuccia con una corrente nominale molto più alta della corrente del carico?
3. In che cosa un fusibile è migliore della protezione contro il sovraccarico del generatore, che spegne l'intero generatore?
4. Perché al doppio della corrente la cartuccia si brucia nel giro di secondi, ma in un cortocircuito in millisecondi?

Risposte

1. In serie tutta la corrente del carico passa attraverso il fusibile, e quando la cartuccia si brucia, il circuito si interrompe. Un fusibile in parallelo cortocircuiterebbe il carico con la sua piccola resistenza e si brucerebbe subito, e dopo il carico resterebbe collegato al generatore senza protezione.
2. La cartuccia lascia passare correnti troppo intense per il carico e i suoi fili, quindi il circuito resta senza protezione. Su questo banco la cartuccia da 2 A regge il sovraccarico di 1 A e sopravvive al cortocircuito di 7 A, solo 3,4 volte la sua corrente nominale: interviene prima la protezione contro il sovraccarico del generatore.
3. Ogni ramo può avere il suo fusibile, con una corrente nominale scelta in base al suo carico, quindi un guasto scollega solo quel ramo e il resto del circuito continua a funzionare. Su questo banco la cartuccia da 0,5 A si brucia in pochi millisecondi e il generatore resta acceso; la protezione del generatore interviene solo sopra 3 A e spegne tutto ciò che vi è collegato.
4. Il calore sviluppato nel filo è \(P = I^2 R\). Fino a circa 1,9 volte la corrente nominale il calore si disperde attraverso le calotte terminali prima che il filo raggiunga il punto di fusione; al doppio della corrente nominale il riscaldamento è solo un po' maggiore, quindi il filo si avvicina lentamente alla fusione nel giro di secondi. In un cortocircuito, a 12 volte la corrente nominale, il riscaldamento è 144 volte il valore nominale, e il filo fonde in millisecondi prima che il calore possa disperdersi.