Что такое короткое замыкание и как его избежать?

Лет 20 назад на экранах шел фильм «Короткое замыкание». По сюжету из-за грозового разряда в электронике одного робота что-то перемкнуло, после чего он «поумнел», стал думать и чувствовать как человек. В этом фильме ключевую роль в трансформации робота сыграло явление короткого замыкания. Эта история закончилась хорошо. Но такой исход событий — исключение из правил. Чаще всего короткое замыкание в электрической цепи приводит ее в негодность.

Классическая картина короткого замыкания, или на сленге электриков — «кз», — 2 оголенных пересеченных провода, яркая вспышка и громкий хлопок. «Спецэффекты» в реальной жизни сразу наведут на мысль, что что-то идет не так.

Где возникает короткое замыкание?

Возьмем самую простую электрическую цепь. В ней должна быть какая-то нагрузка: это может быть электролампочка, электроплитка, электродвигатель и т.п. Также в цепи есть источник тока, и все эти составляющие соединяются проводами.

Когда электрическая цепь работает в штатном режиме, то ток идет по проводам от источника к нагрузке. Там он выполняет ожидаемую от него работу: преобразуется в световое излучение, если это электролампочка, нагревает спираль, если это электроплитка, и т.д.

Рассмотрим теперь процесс «кз». Это уже будет аварийный режим. Например, по какой-то причине 2 оголенных провода соприкоснулись. В этом случае мы и будем наблюдать яркую вспышку и хлопок. 

А что потом? Потом мы увидим, что наши провода оплавились или даже разорвались. Получается, что и здесь электрический ток сделал свою работу, которая, правда, не была запланирована: 

1. Если есть оплавленные провода, значит, было тепловое действие тока. 
2. Если провода разорваны, то присутствовало механическое действие тока. 

Если вглядеться, то мы найдем и химическое действие тока — капли застывшего расплавленного металла на поверхности другого провода. Это хорошо заметно в случаях, когда схлестнулись разные по составу кабели, например, из меди и алюминия. Тогда капельки застывшей меди на алюминиевом проводе будут хорошо заметны. 

Но сам факт того, что «последствия» прохождения электрического тока так хорошо видны, может означать только то, что сила этого тока была достаточно большой. Это так и есть. Токи короткого замыкания, проходящие через место соприкосновения 2 оголенных проводов в десятки и даже сотни раз больше номинальных токов, протекающих в цепи в штатном режиме.

Откуда берутся такие большие токи короткого замыкания?

Давайте вспомним закон Ома для участка цепи. Его формула выглядит так:

Взглянув на это выражение, мы можем сделать вывод, что чем меньше сопротивление на данном участке цепи, тем больше ток, протекающий в этом участке, так как R стоит в знаменателе, а U не меняется.

Так вот, при «кз» сопротивление очень маленькое — соприкасаются только провода. Оно гораздо меньше, чем сопротивление любой нагрузки (электролампочки, электроплитки пр.). Согласно законам физики, ток, который всегда стремится идти по пути наименьшего сопротивления, не пойдет через нагрузку, где оно высокое, если есть путь, где его практически нет. Т.е. ток пойдет через место «кз».

Но почему ток короткого замыкания такой большой?

Чтобы объяснить это, вспомним формулировку и запись закона Ома для полной цепи, в которую включен источник тока:

Теперь представим, что можем убрать из этой формулы сопротивление нагрузки «R». Что остается? Только внутреннее сопротивление «r» источника тока. Оно всегда гораздо меньше R. Именно это обстоятельство и объясняет высокую величину тока короткого замыкания. И оно же позволяет рассчитать величину токов «кз» теоретически, не проводя экспериментов. Чтобы это сделать, достаточно знать значение ЭДС «ℇ» и внутреннего сопротивления «r».

Как избежать разрушительных последствий короткого замыкания?

Установить соответствующую защиту. В простейшем варианте это может быть плавкий предохранитель. Большой ток быстро его расплавит, и цепь разорвется. 

Второй способ — установка автоматических выключателей, которые за доли секунды разорвут электрическую цепь, если величина тока начнет резко увеличиваться. Своевременный разрыв позволит избежать разрушительного действия «кз» на элементы цепи.

Итак, подведем итоги: 

Если вам понравилась статья и хотелось бы еще глубже погрузиться в изучение физических аспектов электрического тока, но не все получается, рекомендуем обратиться к специалистам ФениксХелп. Здесь вам всегда помогут с решением любой учебной задачи.