מהו קצר חשמלי: הגדרה פשוטה, סוגי וגורמים לקצר חשמלי

לעתים קרובות, כאשר דנים בכל נושא הקשור לחשמל, קצר חשמלי (SC) נקרא הגורם להתמוטטות ציוד או שריפה. משיעורי הפיזיקה בבית הספר, אנשים יודעים שזה מביא צרות, אבל רבים אפילו לא מבינים את היתרונות שלו. לאחר שלמדנו מה זה ק"ז, ואחרי שמבינים את מהות המראה שלו, אפשר להבין מתי זה הופך להרס, ובאילו מקרים זה עוזר.

הגדרה פיזית

בספרי לימוד בפיזיקה, קצר חשמלי נקרא בדרך כלל התרחשות של חיבור חשמלי בין שתי נקודות בחשמל מעגלים בעלי ערכים פוטנציאליים שונים במקרים שאינם מסופקים על ידי עיצוב המכשיר ומובילים להפרות שלו עֲבוֹדָה.

כדי להבין את ההגדרה הזו, צריך להבין מהו פוטנציאל. אבל נכון יותר יהיה לומר "פוטנציאל אלקטרוסטטי", כי זה יכול להיות ביולוגי, כימי ומתמטי. מטען הוא גודל פיזיקלי הקובע את התכונה של גופים או חלקיקים לקיים אינטראקציה בשדה אלקטרומגנטי. מושג המטען החשמלי הוא עיקרי באלקטרודינמיקה; על בסיסו נוצרות הגדרות לתהליכים ותופעות פיזיקליות אחרות, כולל פוטנציאל.

פוטנציאל מתייחס לאנרגיה המוחזקת על ידי מטען המוצב בשדה חשמלי. יחידת המדידה שלו היא הוולט, ששווה ליחס בין הג'אול לקולומב. כלומר, הפוטנציאל החשמלי מאופיין ביחס של אנרגיית האינטראקציה של המטען עם השדה המקיף אותו לערך גודלו.

העבודה שהחשמל או האנרגיה עושים נקבעת לפי הפרש הפוטנציאלים (מתח). ככל שהוא גבוה יותר, כך יש לבצע יותר עבודה על ידי הכוח החשמלי כדי להעביר את המטען מנקודה אחת לאחרת. תנועה דורשת אנרגיה, בעוד כוח משתחרר במהלך התנועה. אם תנועת המטען מתרחשת בצורה מסודרת, אז נוצר זרם.

במקרה זה, העבודה נחשבת שימושית כאשר אנרגיה פוטנציאלית מקצוות שונים של המעגל החשמלי מתגברת על התנגדות מסוימת. אבל אם זה לא שם, אז מחלק אחד של המעגל, הזרם יזרום ללא הפסד לשני, בעוד שהכוח המתאים לעוצמת הזרם ישוחרר.

אתה יכול להסביר בצורה פשוטה מה זה קצר חשמלי, באופן הבא: אם במוליך עם זרם מופעל, ההתנגדות תקטן לערך לא משמעותי, ואז כל האנרגיה תתחיל להשתחרר במקום חיבור חשמלי של שני ערכים פוטנציאלים. היווצרות הכוח הזה נקראת התרחשות של קצר חשמלי או התמוטטות.

סוגי תופעות

תהליך הופעתו של קצר חשמלי מרמז על היווצרות מגע חשמלי בין שני פוטנציאלים. בהתאם לאזור, הסגירה יכולה להיות נקודתית ומוצקה. אם זה מתרחש במתקנים חשמליים, אז זה מחולק לסיבוב לפנייה או גוף. הסוג הראשון אופייני לרוטור או סטטור. במקרה זה, התמוטטות יכולה להתרחש דרך הקרקע או האוויר. בהתאם לסוג החיווט ולמספר השלבים הסגורים, התופעה מחולקת לסוגים הבאים:

• תלת פאזי - כל חוטי הפאזה מחוברים לנקודה אחת;
• דו פאזי - מגע חשמלי מתרחש בין שני חוטים בפוטנציאלים שונים;
• חד פאזי - סגירת פאזה לחוט ניטרלי או לולאת הארקה.

זרם קצר חשמלי

כדי להבין את ההגדרה של קצר חשמלי, כדאי לזכור את העיקרון הבסיסי בחשמל - חוק אוהם. הניסוח שלו הוא כדלקמן: הזרם בקטע של המעגל עומד ביחס ישר להפרש הפוטנציאל וביחס הפוך להתנגדות החשמלית של קטע זה. הנוסחה יכולה לבטא זאת כ-I = U / R, כאשר:

• I - חוזק זרם, א;
• U הוא ערך המתח, V;
• R - התנגדות (עכבה), אוהם.

לפיכך, ככל שערך העכבה יהיה גבוה יותר, כך הזרם יירד. לדוגמה, כאשר קו חשמלי במתח של 220 וולט מגשר עם התנגדות של 1 kOhm, אז זרם זורם דרך האלמנט השווה ל-I = 220/1000 = 0.220 A.

אם הנגד הוא בעל הספק מתאים, אז שום דבר לא יקרה, מתח מסוים ייפול על פניו, אבל המעגל ימשיך לעבוד. אבל אם, במקום נגד, נעשה שימוש במוליך עם התנגדות פנימית אינסופית, אז הכוח הזרם יתחיל לגדול במהירות עד שהחלקים הסגורים ישרפו וישברו את המגע החשמלי. הזרם שבו המגע נשבר נקרא זרם התפרקות.

אגב, זו הסיבה שהקצר קיבל את שמו, כי הזרם נוטה ללכת בכיוון עם הכי פחות התנגדות לזרימה שלו. מסתבר שהתור הזה הוא הקצר ביותר בדרכו.

כאשר מחשבים את הפירוק בצורה מדויקת, משתמשים בנוסחה הלוקחת בחשבון את ההתנגדות הפנימית של מקור הכוח: Ikz = E / (R + r). במקרה זה, ההספק התרמי המופיע ייקבע באמצעות הביטוי P = E2 * R / (R + r).

חישוב זרם הקצר חשוב מכיוון שהוא משמש בבחירת ציוד חשמלי, הגנה, התקני אוטומציה ומגבילי זרם. תופעת ההתמוטטות מתרחשת לרוב עקב הופעת התנגדויות חולפות שדרכן מתחיל לזרום זרם. אלה כוללים קשתות חשמליות, עצמים זרים במקום הנזק לבידוד, תומכים והארקה שלהם, כמו גם מגע עם האדמה או בין מוליכים פאזה. אבל כדי לפשט את החישובים, התנגדויות אלה נלקחות שווה לאפס ואינן נלקחות בחשבון.

סיבות להופעה

כאשר נוצר מגע בין שני זרימות של מטענים, נוצר חוזק זרם עצום, המאופיין בקצר חשמלי. מכיוון שהעלייה החדה הזו באנרגיה מתרחשת עקב הופעת דופק הלם חשמלי, אזי, על פי חוק ג'ול-לנץ, לכוח המתקבל יש רמה גבוהה של שחרור חום.

הסיבה לתופעה זו היא הפרה של תכונות הבידוד של המוליכים. זה יכול לקרות עקב בלאי טבעי או מקרי חירום בהפעלת ציוד חשמלי. בפועל, משמעות הדבר היא מגע ישיר בין המוליכים הנייטרליים לפאזה.

אבל החוטים לא צריכים לגעת זה בזה. עלייה מיידית בחוזק הזרם מתרחשת גם אם מופיע ביניהם גוף מוליך או תווך עם התנגדות זניחה, למשל, עצם מוליך, מים או אוויר לח. מצב זה נקרא התמוטטות. ניתן להבחין בין הסיבות הבאות להתרחשות קצר חשמלי:

1. מתח יתר. כאשר חריגה מהפרמטרים הפיזיים של קו החשמל, כאשר זרם גדול עובר דרך המוליך, ההתנגדות שלו מתבררת כגדולה עבורו, ולכן מתרחש שחרור חום אינטנסיבי. המוליך מתחמם על ידי העברת חום לשכבת הבידוד, הנסדקת וקורסת. הופעת מתח גבוה יכולה להיגרם הן מתופעות טבע (מכת ברק), והן משגיאות בפעולת מכשירי חשמל או מקורות אנרגיה.
2. הזדקנות טבעית של בידוד. לכל בידוד יש משאב משלו, אשר מופחת כאשר נמצאים בסביבה אגרסיבית, למשל, עם ירידת טמפרטורה.
3. נזק מכני: שפשוף, נזק במהלך עבודות בנייה, תוצאה של פעולת מכרסמים.
4. שגיאת התקנה. טיפול רשלני בחלקים חיים של ציוד, הפרות בהנחת כבלים (כיפוף בזווית חדה, חציית חוטים).
5. חיווט שגוי של ציוד חשמלי או כבלים. מתרחש עקב פעולות אנושיות. זה עשוי לנבוע מתיקונים לא מוצלחים, טעות בחיבור חוטים או קווי חשמל, שימוש במכשירים שבורים.

השלכות והגנה

המטרד הגדול ביותר שיכול להיווצר בזמן קצר חשמלי הוא התרחשות של שריפה. החום העודף שנוצר גורם להתלקחות הבידוד וחומרים דליקים סמוכים. בנוסף, במהלך תקלה מתרחשת קשת חשמלית המהווה מקור אש פתוח. בכך היא יכולה להצית חפצים סמוכים.

אם אדם נופל לאזור הכיסוי של המעגל, ואז הוא נתון לזעזוע של זרם גבוה. זה מוביל לשחרור חום על ידי הגוף ולבעירה לאחר מכן של הגוף.

השלכות פחות משמעותיות כוללות התרחשות של שדה חשמלי גדול ו הלם אלקטרומגנטי, אשר משפיעים לרעה על רכיבים אלקטרוניים וציוד רדיו, כמו גם מנועים חשמליים. הופעת קצר חשמלי מובילה לחוסר איזון פאזה ברשת החשמל, הגורם לעלייה במתח בה, והדבר מביא להתקלות באספקת החשמל של מכשירים חשמליים המחוברים אליה.

כדי למנוע השלכות בתכנון של מערכות חשמל, נעשה שימוש במכשירים מיוחדים ובאמצעי הגנה. אמצעים אלה כוללים:

• בדיקה תקופתית של בידוד של ציוד וקווי חשמל;
• השימוש בציוד או בחיווט חשמלי עם רמה מוגברת של הגנה על פוטנציאל מסוכן מיקומים כגון דיאלקטריים באיכות גבוהה או דואלי מעכב בעירה בידוד;
• התקנת נתיכים שנשרפים כאשר הזרם מגיע לערך מסוכן;
• שימוש בהגנה מפני ברקים, מתגים אוטומטיים ודיפרנציאליים, התקני בקרת מתח.

חשוב מאוד להשתמש בחומרים ובציוד המגן הנכונים בעת בניית מערכת הולכה. במידה רבה יותר, זה נוגע לחתך הרוחב של הכבל המוליך, חישוב הפרמטרים של מודולי ההגנה המשמשים והבנייה המוסמכת של מעגל ההארקה.

שימוש מכוון

התרחשות לא מכוונת של קצר חשמלי טומנת בחובה סכנות וצרות, אך על ידי שליטה בו תוכלו להרוויח. הודות לכך, ריתוך קשת חשמלי הופיע. סלילה אחת של השנאי מחוברת לפריט העבודה שיש לרתך, ויוצרת איתו מגע קבוע, והשנייה מחוברת לאלקטרודה. כאשר הוא נוגע בחלק, נוצר קצר חשמלי עם היווצרות קשת ושחרור חום. קשת זו היא המשמשת להמסת מתכות. אבל אם האלקטרודה "נדבקת" למתכת, אז כל הכוח המשמש יתחיל להשתחרר על הממיר, מה שיוביל לסגירתו הפונה לפנייה.

יישום נוסף של התופעה משמש במעגלים קצרים - מכשירים המצוידים במפסקים. אם יש צורך לנתק במהירות את קו החשמל, הוא נסגר, אליו מגיב מכשיר אלקטרומכני, מכבה את הקטע.

מדי רטט אינדוקציה ומקלטים סיסמיים משתמשים ב-SC בבסיס עבודתם, המאפשר שיכוך רעידות מכניות. מצב התמוטטות משמש לעתים קרובות בעת חיבור שלבי מגבר באלקטרוניקה, כגון מגברי קקוד. מעגלי החשמל של הלוחות האלקטרוניים פועלים גם במצב קצר חשמלי לזרם חילופין. קבלים חוסמי מעקף מותקנים על קווי החשמל שלהם. הם נועדו להפחית עירור עצמי של שלבי הגברה, הפרעות וכשלי קוד במכשירים דיגיטליים.

לסיכום, ניתן לציין היבטים חשובים של תהליכים חשמליים. כדי שהזרם יופיע צריך להופיע הבדל פוטנציאלי, ואז החיבור הפיזי שלהם. אז המטען יתחיל לעבור מנקודה אחת לאחרת, ונתקל בהתנגדות בדרכו. תשתחרר עליו אנרגיה, המשמשת לכל תהליכים. הכוח המופק מאופיין בעבודה שימושית. אבל אם הזרם לא פוגש מכשולים בדרכו, אז כאשר שני הפוטנציאלים יתחברו, כל הכוח ישתחרר לאורך הנתיב הזה. כתוצאה מכך, הוא הופך לאנרגיה תרמית ובחלקו לאור.

זהו העיקרון של התרחשות קצר חשמלי, כמו גם התופעות הנלוות אליו - חימום יתר והבזק אור. כאשר מצב זה מתרחש, הזרם במעגל גבוה בהרבה מהערכים הנומינליים (בשל חוסר ההתנגדות), מה שמוביל לכשל של מקור האנרגיה והמקלט שלו במעגל חשמלי.