保险丝

课程标准： KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

实验目的¶

观察保险丝怎样保护电路免受过载和短路的危害，以及为什么它的额定电流要与负载相匹配。

实验装置¶

一个 6 V 电压源、一个 0.5 A 的保险丝和一只电流表接到两根母线上。两根母线之间有三条支路：下面是一只 6 V / 0.5 W 灯泡，中间是一个串联着断开开关的 5.1 Ω 负载，上面是一个按钮开关——按住它时，两根母线就被短路。灯泡发光，电流表示数约为 83 mA。

实验步骤¶

闭合负载开关。观察保险丝、灯泡和电流表。
断开开关。更换熔断体：在保险丝的参数面板中取消勾选“已熔断”复选框。
把额定电流设为 2 A，再次闭合负载开关。记录电流表的示数。
按住按钮。观察保险丝和电压源的电源指示灯。
松开按钮，断开负载开关，把额定电流改回 0.5 A，并用电源键打开电压源。
再次按下按钮。观察保险丝和电压源的电源指示灯。

预期结果

5.1 Ω 负载在灯泡电流之外又增加了约 1 A——略超过熔断体 0.5 A 额定电流的两倍。在这样的电流下，真实的快速熔断型熔断体还能坚持几秒钟：热量通过端帽散出，电流越接近熔断阈值，坚持的时间越长。在这里，它在半秒到几秒内熔断，每个熔断体的熔断时间都不相同。电路断开，灯泡熄灭，电流表示数为 0。熔断的熔断体在更换之前一直保持断开。电流低于额定电流的约 1.9 倍时，熔断体根本不会熔断。

2 A 的熔断体能承受同样的电流：电流表示数约为 1.0 A。但短路时电流约为 7 A——只有其额定电流的 3.4 倍，这样的熔断体需要十分之一秒才能熔断。电压源的过载保护更快，只需 20 ms：电源指示灯闪红光，电压源关闭，熔断体完好无损。额定电流过大的熔断体起不到保护电路的作用。

使用 0.5 A 的熔断体时，短路电流约为 6 A，是其额定电流的 12 倍：熔断体在几毫秒内熔断，早于电压源的过载保护动作，电压源保持开启。

问题¶

为什么保险丝要与负载串联，而不是并联？
如果装上额定电流远大于负载电流的熔断体，会怎样？
电压源的过载保护会关闭整个电压源，与它相比，保险丝好在哪里？
为什么电流为额定电流的两倍时，熔断体要几秒钟才熔断，而短路时只需几毫秒？

答案

串联时，全部负载电流都通过保险丝，熔断体熔断时电路就被切断。并联的保险丝会以其很小的电阻把负载短路，并立即熔断，之后负载仍然接在电压源上，却失去了保护。
熔断体会让对负载及其导线来说过大的电流通过，电路因此失去保护。在这个实验装置上，2 A 的熔断体能承受 1 A 的过载，也能经受住只有其额定电流 3.4 倍的 7 A 短路电流：电压源的过载保护先动作。
每条支路都可以装上自己的保险丝，其额定电流与该支路的负载相匹配，因此发生故障时只断开这一条支路，电路的其余部分继续工作。在这个实验装置上，0.5 A 的熔断体在几毫秒内熔断，电压源保持开启；而电压源的保护要在电流超过 3 A 时才动作，并且会断开与它相连的一切。
熔丝的发热功率为 \(P = I^2 R\)。在额定电流的约 1.9 倍以下，热量在熔丝达到熔点之前就通过端帽散出；在额定电流的两倍时，发热只比这稍大一些，所以熔丝要经过几秒钟才慢慢升温到熔化。短路时电流是额定电流的 12 倍，发热是额定值的 144 倍，熔丝在热量来得及散出之前就在几毫秒内熔化。