W budowie
Prezentacja modułu

Moduł 16 — Zwarcia i przeciążenia w obwodach elektrycznych — kurs Prąd elektryczny stały (kurs podstawowy)

Moduł 13 kursu Prąd elektryczny stały: zjawisko zwarcia (R -> 0), przyczyny i skutki przeciążenia sieci, bilans prądów oraz zagrożenie pożarowe.

  • 45 min
  • 13 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 8 minZjawisko zwarcia elektrycznego (krótkiego spięcia) Zrozumiesz fizyczny mechanizm zwarcia elektrycznego (krótkiego spięcia) ze wzoru $I =…
  2. 8 minZjawisko przeciążenia instalacji elektrycznej Czajnik elektryczny: $2200\text{ W} \implies I_1 \approx 9{,}6\text{ A}$,
  3. 7 minRysunek: schemat obwodu ze zwarciem omijającym odbiornik teza, kod i pytanie kontrolne
  4. 8 minAnimacja: symulator zwarcia i przeciążenia sieci teza, kod i pytanie kontrolne
  5. 8 minPrzykłady obliczeniowe z pełnym rozwiązaniem Wypisujemy dane: $U = 12\text{ V}$, $R_{\text{zw}} = 0{,}03\ \Omega$.
  6. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 5 · ~8 min

Zjawisko zwarcia elektrycznego (krótkiego spięcia)

Dlaczego przypadkowe zetknięcie odizolowanych przewodów wywołuje snop iskier i trzask? Czym różni się zwarcie od przeciążenia instalacji, dlaczego w obu przypadkach prąd gwałtownie rośnie i jak zapobiec pożarowi w domu?

  • Zrozumiesz fizyczny mechanizm zwarcia elektrycznego (krótkiego spięcia) ze wzoru $I = \frac{U}{R}$ przy $R \to 0$.
  • Dowiesz się, czym jest przeciążenie instalacji i jak wynika ono z I prawa Kirchhoffa w układzie równoległym.
  • Poznasz termiczne i mechaniczne skutki przepływu prądów zwarciowych ($Q = I^2 R t$).
  • Zrozumiesz, dlaczego nie wolno łączyć kaskadowo wielu przedłużaczy i rozgałęziaczy.
Dlaczego zwarcie jest skrajnie niebezpieczne?

Z prawa Joule’a-Lenza ($Q = I^2 R t$) wynika, że wydzielane ciepło rośnie z kwadratem natężenia prądu. Prąd o wartości setek amperów w ułamku sekundy rozgrzewa miedziane kable do temperatury ponad $1000^\circ\text{C}$, roztapia izolację z tworzywa sztucznego, wywołuje eksplozję łuku elektrycznego i natychmiastowy pożar!

Sprawdzenie · atom 1 · ~3 min

Pytanie do klasy

Czym jest zwarcie elektryczne?

Atom 2 z 5 · ~8 min

Zjawisko przeciążenia instalacji elektrycznej

Zwarcie to stan nagłej awarii. Istnieje jednak inne, podstępne zagrożenie: przeciążenie instalacji (ang. overload ).

  • Czajnik elektryczny: $2200\text{ W} \implies I_1 \approx 9{,}6\text{ A}$,
  • Żelazko parowe: $2000\text{ W} \implies I_2 \approx 8{,}7\text{ A}$,
  • Przelotowy ogrzewacz lub suszarkę: $1600\text{ W} \implies I_3 \approx 7{,}0\text{ A}$.
  • Standardowy miedziany przewód podtynkowy o przekroju $S = 1{,}5\text{ mm}^2$ może bezpiecznie przewodzić prąd o natężeniu do $16\text{ A}$ (co odpowiada łącznej mocy…
Co się stanie, gdy podłączysz do jednej listwy zasilającej:
  • Czajnik elektryczny: $2200\text{ W} \implies I_1 \approx 9{,}6\text{ A}$,
  • Żelazko parowe: $2000\text{ W} \implies I_2 \approx 8{,}7\text{ A}$,
  • Przelotowy ogrzewacz lub suszarkę: $1600\text{ W} \implies I_3 \approx 7{,}0\text{ A}$.

Łączny prąd wyniesie: $I = 9{,}6 + 8{,}7 + 7{,}0 = \mathbf{25{,}3\text{ A}}$! Ponieważ dopuszczalny prąd kabla to $16\text{ A}$, przewody w ścianie i w listwie zaczynają się powoli, lecz stale nagrzewać. Z czasem izolacja kruszeje, topi się, co prowadzi do zwarcia i pożaru ukrytego w ścianie!

Sprawdzenie · atom 2 · ~3 min

Pytanie do klasy

Na czym polega przeciążenie instalacji elektrycznej?

Ilustracja · atom 3 · ~4 min

Rysunek: schemat obwodu ze zwarciem omijającym odbiornik

+ − Źródło U Żarówka (zgaszona) I_żarówki ≈ 0 ZWARCIE (R_zw ≈ 0 Ω) Gigantyczny prąd zwarciowy: I_zw → ∞ !
Zwarcie elektryczne: prąd omija odbiornik i płynie ścieżką o znikomym oporze, osiągając niszczycielskie natężenie.
Sprawdzenie · atom 3 · ~3 min

Pytanie do klasy

Co dzieje się z żarówką w chwili zwarcia pokazanego na rysunku?

Symulacja · atom 4 · ~5 min

Animacja: symulator zwarcia i przeciążenia sieci

Sprawdzenie · atom 4 · ~3 min

Pytanie do klasy

W symulatorze zwiększasz liczbę odbiorników włączonych równolegle do listwy. Co obserwujesz?

Atom 5 z 5 · ~8 min

Przykłady obliczeniowe z pełnym rozwiązaniem

Treść: Akumulator o napięciu $U = 12\text{ V}$ zwarto grubym kluczem stalowym. Całkowity opór powstałego obwodu zwarciowego (opór klucza, zacisków i wnętrza akumulatora) wyniósł zaledwie $R_{\text{zw}} = 0{,}03\ \Omega$.

  • Wypisujemy dane: $U = 12\text{ V}$, $R_{\text{zw}} = 0{,}03\ \Omega$.
  • Z prawa Ohma: \[ I_{\text{zw}} = \frac{U}{R_{\text{zw}}} = \frac{12\text{ V}}{0{,}03\ \Omega} = \frac{1200}{3}\text{ A} = 400\text{ A} \]
  • Odpowiedź: Prąd zwarcia osiągnie aż $400\text{ A}$! Taki prąd w ułamku sekundy zespawa klucz z klemą akumulatora i może doprowadzić do wybuchu baterii.
Rozwiązanie:
  1. Wypisujemy dane: $U = 12\text{ V}$, $R_{\text{zw}} = 0{,}03\ \Omega$.
  2. Z prawa Ohma: \[ I_{\text{zw}} = \frac{U}{R_{\text{zw}}} = \frac{12\text{ V}}{0{,}03\ \Omega} = \frac{1200}{3}\text{ A} = 400\text{ A} \]
  3. Odpowiedź: Prąd zwarcia osiągnie aż $400\text{ A}$! Taki prąd w ułamku sekundy zespawa klucz z klemą akumulatora i może doprowadzić do wybuchu baterii.
Sprawdzenie · atom 5 · ~3 min

Pytanie do klasy

W przykładzie akumulator 12 V ma opór obwodu zwarciowego 0,03 Ω i daje prąd 400 A. Jaki prąd popłynie, gdy opór wzrośnie dwukrotnie, do 0,06 Ω?

Zamknięcie · ~4 min

Co zabrać z lekcji

  • Zrozumiesz fizyczny mechanizm zwarcia elektrycznego (krótkiego spięcia) ze wzoru $I = \frac{U}{R}$ przy $R \to 0$.
  • Czajnik elektryczny: $2200\text{ W} \implies I_1 \approx 9{,}6\text{ A}$,
  • Rysunek: schemat obwodu ze zwarciem omijającym odbiornik
  • Animacja: symulator zwarcia i przeciążenia sieci
Bilet wyjściowy: Jakiej zależności użyto w przykładzie do obliczenia natężenia prądu zwarcia?
Odpowiedź: c) $I = U / R$, dlatego wynik podano w amperach
Hyżyk· Moduł 16 — Zwarcia i przeciążenia w obwodach elektrycznych — moduł 1 / 1