В последнее время мой сын увлекся сборкой электрических схем в конструкторе "Знаток". Простые схемы он собирает самостоятельно, более сложные - с помощью папы. Муж хочет научить ребенка обращаться с электричеством, и они много обсуждают разные вопросы при сборке "Знатока". Естественно, всплывает и вопрос безопасности. Все схемы "Знатока" питаются от пальчиковых батареек, поэтому безопасны для ребенка, ток слишком мал, чтобы принести вред. Но вот приборы выйти из строя запросто могут. Поэтому папа всегда предупреждает - избегай короткого замыкания!
Что такое короткое замыкание, ребенок сначала быстро понял. Соединяешь полюса батарейки коротеньким проводом - вот тебе и короткое замыкание. Но через некоторое время стал задавать вопросы.
Если провод не короткий, а длинный, это будет длинное замыкание?
Итак, что же в коротком замыкании короткого? Говорю сыну: Короткое замыкание - это когда батарейка замыкается на очень маленькое сопротивление. Для электричества важна не длина провода, а то сопротивление, которое испытывает ток при прохождении. "Короткий" для тока значит "без помех".
Чем меньше длина провода, тем меньше его сопротивление. Но сопротивление зависит не только от длины провода, но и от других параметров. Поэтому даже достаточно длинный провод, сделанный из хорошо проводящего материала, может обладать малым сопротивлением.
Посмотри на провода из "Знатока". Давай измерим их сопротивление с помощью мультиметра. Сопротивление провода, замыкающего батарейку, равно 0,5 Ом. Это значит, что при напряжении на батарейках 3 вольта (2 батарейки по 1,5 В) через провода пойдет ток силой 6 ампер. Это очень большая сила тока. С такой силой тока провода могут сгореть, батарейка может взорваться.
А если я поставлю большое сопротивление? Вот так, вместе с проводом? (рисунок слева)
В этом случае сопротивление стоит параллельно проводу. Ток все равно пойдет через голый провод, и будет короткое замыкание. Через ответвление с сопротивлением пойдет маленький ток, и оно не будет влиять на наличие короткого замыкания, сопротивление здесь просто бесполезно. Например, пусть параллельно стоит 1000 Ом. Тогда при напряжении 3 вольта через него пойдет ток 0,003 ампера, а через провод - те же 6 ампер.
Чтобы избежать короткого замыкания, нужно подключать сопротивление непосредственно к проводам, без ответвлений. Вот правильная схема включения сопротивления (на рисунке справа).
Можно ли взять длинный-длинный провод, чтобы избежать короткого замыкания?
Да. Только на практике будет слишком большая длина. Если взять медный провод площадью квадратный миллиметр, то чтобы получить сопротивление в 1000 Ом, длина провода должна быть 57 километров! Поэтому и для твоего конструктора, и для квартирной проводки, длина провода не так важна, на таких расстояниях она влияет слабо. Для создания резистора нельзя просто взять длинную проволоку. Резисторы делают из графита, склеенного смолой, или в виде системы металлических пленок, или из других материалов, проводящих электрический ток, но не так хорошо, как чистый металл. Бывают резисторы и из металлической проволоки: в таком случае очень тонкую проволоку плотно наматывают на цилиндр, чтобы обеспечить большую длину. Чем меньше толщина проволоки, тем больше сопротивление, и чем больше длина проволоки, тем больше сопротивление.
Может ли одна батарейка дать короткое замыкание?
Да, даже самая маленькая батарейка, если ее просто замкнуть проводом, даст короткое замыкание. Она будет греться и может взорваться.
Что будет, если замкнуть розетку?
Розетка может сгореть, и в доме случится пожар. Чтобы этого не происходило, на электрощите ставят предохранители - специальные устройства, которые отключают электричество, если ток превышает определенную величину. Обычно предохранители срабатывают, если сила тока превышает 6 ампер. Ни в коем случае нельзя вставлять в розетку посторонние металлические предметы или неисправные приборы.
Почему на даче происходят короткие замыкания? Мы же не вставляем провода в розетку!
На даче в нашей проводке слишком тонкие провода, не рассчитанные на большую мощность. Если я включаю несколько приборов сразу параллельно, общее сопротивление уменьшается, а ток возрастает. Чайник и электроплитка потребляют большую мощность, требуют много тока, и мои розетки начинает дымить. Чтобы этого не происходило, необходимо полностью переделать проводку. Это требует профессиональных электриков, времени, денег. Со временем, конечно, мы с папой этим займемся, а пока я внимательно слежу за приборами и розетками, и стараюсь не включать всё одновременно. В нашей квартире мощная электроплита подключена отдельным толстым проводом к щитку. Также отдельный провод выведен и для кондиционера. В квартире при ремонте электропроводке уделялось большое внимание, и выделено было много средств, поэтому всё пока работает нормально.
Что будет, если замкнуть батарейку на конденсатор?
Через конденсатор не идет постоянный ток. Конденсатор просто зарядится и будет держать этот заряд. Можно потом отключить конденсатор от источника и замкнуть его. Замыкание обычного конденсатора, отключенного от источника, на маленькое сопротивление не так опасно - ток очень быстро проходит, чем меньше сопротивление, тем меньше время разрядки. Но всё равно при маленьком сопротивлении начальный ток разрядки может быть достаточно большим. Быструю разрядку конденсатора можно использовать для вспышки. А без дела заряжать-разряжать конденсаторы не стоит.
А если подсоединить к батарейке диод?
Очень важно соблюдать полярность включения приборов. У диода сопротивление при разных полярностях может различаться в миллионы раз. При прямом включении диода - плюс к плюсу, минус к минусу - сопротивление диода мало, будет короткое замыкание. При обратном включении ничего не будет. Никогда не соединяй диоды бездумно, надо обязательно перепроверить схему.
Какое минимальное сопротивление надо присоединять к батарейке?
Это зависит от того, какая сила тока нужна. Если мы возьмем безопасную силу тока 0,1 ампера, то минимальное сопротивление при 3 вольтах должно быть 30 Ом. Но в каждой схеме это нужно смотреть отдельно. Всё это рассчитывается по закону Ома: сила тока равна напряжение поделить на сопротивление. Если мы знаем, на какую силу тока и напряжение рассчитана лампочка, можно посчитать, какое дополнительное сопротивление надо подключить, чтобы это обеспечить. В "Знатоке" при создании схем это уже учитывается, важно действовать по инструкции. А на физике в старших классах тебя научат считать всё это самостоятельно по закону Ома.
На этом закончим наш разговор. Похвастаюсь: сын ещё не устроил короткого замыкания и не сжёг батарейки с проводами. Очень надеюсь, что теория ему поможет и впредь вести себя разумно.
Спасибо, что дочитали до конца!
Уважаемые читатели, желаю вам хорошей работы электроприборов и поменьше коротких замыканий! Ваш Великий Шизик.