Fusível

Currículos: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

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Objetivo

Ver como um fusível protege um circuito contra sobrecarga e contra curto-circuito, e por que a sua corrente nominal é escolhida de acordo com a carga.

A montagem

Uma fonte de 6 V, um fusível de 0,5 A e um amperímetro estão ligados a dois barramentos. Entre os barramentos há três ramos: embaixo uma lâmpada de 6 V / 0,5 W, no meio uma carga de 5,1 Ω depois de um interruptor aberto, em cima um botão de pressão — ele põe os barramentos em curto enquanto estiver pressionado. A lâmpada está acesa e o amperímetro indica cerca de 83 mA.

Procedimento

1. Feche o interruptor da carga. Observe o fusível, a lâmpada e o amperímetro.
2. Abra o interruptor. Troque o elo fusível: desmarque a caixa “Queimado” no cartão de parâmetros do fusível.
3. Ajuste a corrente nominal para 2 A e feche de novo o interruptor da carga. Anote a leitura do amperímetro.
4. Pressione o botão e mantenha-o pressionado. Observe o fusível e o indicador de energia da fonte.
5. Solte o botão, abra o interruptor da carga, ajuste de novo a corrente nominal para 0,5 A e ligue a fonte com a tecla de energia.
6. Pressione o botão de novo. Observe o fusível e o indicador de energia da fonte.

Resultado esperado

A carga de 5,1 Ω acrescenta cerca de 1 A à corrente da lâmpada — um pouco mais que o dobro da corrente nominal de 0,5 A do elo fusível. Um elo fusível real de ação rápida ainda duraria segundos com essa corrente: o calor escapa pelas tampas metálicas das extremidades, e quanto mais perto do limiar está a corrente, mais tempo ele dura. Aqui ele queima depois de um tempo entre meio segundo e vários segundos, diferente para cada elo fusível. O circuito se interrompe, a lâmpada apaga e o amperímetro indica 0. Um elo fusível queimado continua aberto até ser trocado. Com uma corrente abaixo de cerca de 1,9 vez a corrente nominal, o elo fusível nunca queima.

O elo fusível de 2 A suporta a mesma corrente: o amperímetro indica cerca de 1,0 A. Mas em um curto-circuito a corrente é de cerca de 7 A — só 3,4 vezes a sua corrente nominal, e um elo fusível assim precisa de um décimo de segundo. A proteção contra sobrecarga da fonte é mais rápida, atua em 20 ms: o indicador de energia pisca em vermelho, a fonte é desligada e o elo fusível continua intacto. Um elo fusível superdimensionado não protege o circuito.

Com o elo fusível de 0,5 A, a corrente de curto-circuito, cerca de 6 A, é 12 vezes a sua corrente nominal: o elo fusível queima em poucos milissegundos, antes da proteção contra sobrecarga da fonte, e a fonte continua ligada.

Questões

1. Por que o fusível é ligado em série com a carga, e não em paralelo?
2. O que acontece se você colocar um elo fusível com corrente nominal muito maior que a corrente da carga?
3. Em que um fusível é melhor que a proteção contra sobrecarga da fonte, que desliga a fonte inteira?
4. Por que o elo fusível queima em segundos com o dobro da corrente, mas em milissegundos em um curto-circuito?

Respostas

1. Em série, toda a corrente da carga passa pelo fusível, e quando o elo fusível queima, o circuito é interrompido. Um fusível em paralelo poria a carga em curto com a sua pequena resistência e queimaria na hora, e depois disso a carga continuaria ligada à fonte sem proteção.
2. O elo fusível deixa passar correntes grandes demais para a carga e os seus fios, então o circuito fica sem proteção. Nesta montagem, o elo de 2 A suporta a sobrecarga de 1 A e resiste ao curto-circuito de 7 A, só 3,4 vezes a sua corrente nominal: a proteção contra sobrecarga da fonte desliga primeiro.
3. Cada ramo pode ter o seu próprio fusível, com corrente nominal adequada à sua carga, então uma falha desliga só esse ramo e o resto do circuito continua funcionando. Nesta montagem, o elo de 0,5 A queima em poucos milissegundos e a fonte continua ligada; a proteção da fonte só atua acima de 3 A e desliga tudo o que está ligado a ela.
4. O calor liberado no fio é \(P = I^2 R\). Até cerca de 1,9 vez a corrente nominal, o calor escapa pelas tampas metálicas das extremidades antes que o fio chegue ao ponto de fusão; com o dobro da corrente nominal o aquecimento é só um pouco maior, então o fio se aproxima lentamente da fusão ao longo de segundos. Em um curto-circuito, 12 vezes a corrente nominal, o aquecimento é 144 vezes o valor nominal, e o fio derrete em milissegundos, antes que o calor consiga escapar.