Перейти до змісту

Запобіжник

Програми: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

Відкрити повну версію ↗

Мета

Побачити, як запобіжник захищає коло від перевантаження та від короткого замикання і чому його номінал добирають відповідно до навантаження.

Установка

Джерело 6 В, запобіжник 0,5 А та амперметр ведуть до двох шин. Між шинами три вітки: унизу лампочка 6 В / 0,5 Вт, посередині навантаження 5,1 Ом за розімкненим вимикачем, угорі кнопка — вона замикає шини накоротко, поки її утримують натиснутою. Лампочка світиться, амперметр показує близько 83 мА.

Хід роботи

  1. Замкніть вимикач навантаження. Подивіться на запобіжник, лампочку й амперметр.
  2. Розімкніть вимикач. Замініть плавку вставку: зніміть прапорець «Перегорів» у картці параметрів запобіжника.
  3. Установіть номінальний струм 2 А і знову замкніть вимикач навантаження. Запишіть показання амперметра.
  4. Натисніть кнопку й утримуйте її. Подивіться на запобіжник і на індикатор живлення джерела.
  5. Відпустіть кнопку, розімкніть вимикач навантаження, поверніть номінальний струм 0,5 А і ввімкніть джерело його клавішею живлення.
  6. Знову натисніть кнопку. Подивіться на запобіжник і на індикатор живлення джерела.
Очікуваний результат

Навантаження 5,1 Ом додає до струму лампочки близько 1 А — трохи більше ніж подвійний номінал вставки 0,5 А. Справжня швидкодійна плавка вставка за такої сили струму протрималася б ще кілька секунд: тепло відходить через торцеві ковпачки, і що ближча сила струму до порогу, то довше вставка тримається. Тут вона перегоряє за час від пів секунди до кількох секунд, у кожної вставки по-різному. Коло розривається, лампочка гасне, амперметр показує 0. Перегоріла вставка залишається розімкненою, доки її не замінять. За сили струму нижче приблизно 1,9 номіналу вставка не перегоряє взагалі.

Вставка на 2 А витримує той самий струм: амперметр показує близько 1,0 А. Але під час короткого замикання сила струму становить близько 7 А — лише в 3,4 раза більше за її номінал, і такій вставці потрібна десята частка секунди. Захист джерела від перевантаження спрацьовує швидше, за 20 мс: індикатор живлення блимає червоним, джерело вимикається, а вставка залишається цілою. Вставка із завищеним номіналом не захищає коло.

Зі вставкою на 0,5 А струм короткого замикання, близько 6 А, у 12 разів більший за її номінал: вставка перегоряє за кілька мілісекунд, раніше, ніж спрацює захист джерела від перевантаження, і джерело залишається ввімкненим.

Запитання

  1. Чому запобіжник вмикають послідовно з навантаженням, а не паралельно?
  2. Що станеться, якщо поставити плавку вставку з номіналом, набагато більшим за струм навантаження?
  3. Чим запобіжник кращий за захист джерела від перевантаження, який вимикає все джерело?
  4. Чому за подвійного струму вставка перегоряє за секунди, а під час короткого замикання — за мілісекунди?
Відповіді
  1. У послідовному з’єднанні через запобіжник тече весь струм навантаження, і коли вставка перегоряє, коло розривається. Запобіжник, увімкнений паралельно, замкнув би навантаження накоротко своїм малим опором і відразу перегорів би, а після цього навантаження залишилося б під’єднаним до джерела без захисту.
  2. Вставка пропускає струми, завеликі для навантаження та його проводів, тож коло залишається без захисту. На цій установці вставка на 2 А витримує перевантаження в 1 А і залишається цілою під час короткого замикання з силою струму 7 А, лише в 3,4 раза більшою за її номінал: першим спрацьовує захист джерела від перевантаження.
  3. У кожній вітці може стояти власний запобіжник із номіналом, дібраним відповідно до її навантаження, тож несправність від’єднує тільки цю вітку, а решта кола працює далі. На цій установці вставка на 0,5 А перегоряє за кілька мілісекунд, і джерело залишається ввімкненим; захист джерела спрацьовує лише понад 3 А і вимикає все, що до нього під’єднано.
  4. Теплова потужність, що виділяється в дротинці, — \(P = I^2 R\). Приблизно до 1,9 номіналу тепло відходить через торцеві ковпачки раніше, ніж дротинка нагріється до температури плавлення; за подвійного номіналу нагрівання лише трохи сильніше, тож дротинка поступово, за секунди, доходить до плавлення. Під час короткого замикання, коли струм у 12 разів більший за номінал, нагрівання в 144 рази більше за номінальне, і дротинка плавиться за мілісекунди, перш ніж тепло встигне відійти.