Реостат на схеме электрической цепи. Что такое реостат? Виды и их назначение

Реостат - это металлический проводник с регулируемой величиной сопротивления. Реостат со скользящим контактом представляет собой цилиндр из изолирующего материала, на который намотана металлическая проволока. Концы ее присоединены к двум клеммам. Третья клемма реостата присоединена к скользящему контакту. Реостат в цепи может быть использован как регулятор тока, т.е. для изменения тока (рис.4.6),

когда провода цепи присоединяют к клемме, связанной со скользящим

контактом, и к одной клемме, связанной с обмоткой. Реостат с подвижным контактом может работать в режиме потенциометра (делителя напряжения). Это включение показано на рис.4.7.

указать плюс и минус!

При этом используются все три клеммы. Напряжение питания U подается к концам обмотки всего реостата. Далее снимается и подается потребителю напряжение U 1 , которое составляет лишь часть величины U, приблизительно пропорциональную сопротивлению реостата между точками в и с, т.е.

;
(4.7)

Изменяя положение движка С, можно менять снимаемое напряжение U 1 , приближаясь либо к U (точка С совпадает с а), либо к нулю (точка с совпадает с в).

Характеристики сопротивлений

Для каждого резистора должны быть известны его электрические параметры, определяющие рациональные условия его эксплуатации. Таковыми являются: значение электрического сопротивления R и предельно допустимая величина тока. При превышении тока выделяющаяся в резисторе энергия может привести к его перегреву в каком-либо участке, расплавлению, а следовательно разрыву цепи.

Для реостатов с подвижным контактом указывают величину сопротивления всей обмотки и предельный ток.

Для радиотехнических резисторов указывают величину сопротивления и максимальную рассеиваемую мощность.

Характеристики источников тока

Каждый источник тока имеет следующие характеристики, определяющие условия его рационального использования: электродвижущая сила, или ЭДС  и внутреннее сопротивление r.

Электродвижущая сила источника тока  - это величина, измеряемая отношением работы, затрачиваемой сторонними силами на перемещение заряда по замкнутой цепи, к величине этого заряда, т.е.:

(4.8)

ЭДС измеряется в вольтах (В).

Внутреннее сопротивление источника r определяет проводящие свойства той среды, которая имеется внутри источника.

Закон Ома для замкнутой цепи.

Замкнутая цепь содержит: источник тока, сопротивления (потребители тока), прибора, контролирующие характеристики тока, провода, ключ. Примером может служить цепь, приведенная на рис.4.5. По отношению к источнику тока можно выделит внешнюю цепь, содержащую элементы, находящиеся вне данного источника, если проследить за током от одной его клеммы до другой, и внутреннюю, к которой относят проводящую среду внутри источника обозначим сопротивление внешней цепи через R, внутреннее сопротивление источника г. Тогда ток в цепи определяется по закону Ома для замкнутой цепи, который гласит, что ток в замкнутой цепи прямо пропорционален величине ЭДС  - обратно пропорционален сумме внутреннего и внешнего сопротивления цепи, т.е.

(4.9)

Из этого закона вытекают следующие частные случаи:

1) Если R стремится к нулю (т.е. R << r), то ток i стремится к максимально возможному значению
, называемому током короткого замыкания. Этот ток опасен для источников, поскольку вызывает перегрев источника и необратимые изменения проводящей среды внутри него.

2) Если R стремится к бесконечно большой величине (т.е. при условии, что R >> r) ток i уменьшается и падение напряжения внутри источника ir становится

намного меньше iR , следовательно
. Значит, величину ЭДС источника можно практически измерить с помощью вольтметра, присоединенного к клеммам источника при условии, что сопротивление вольтметра R v >> r при разомкнутой внешней цепи.

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Разветвленной считают цепь, в которой можно выделить два или более узла. Узлом называется точка, в которой сходятся более чем два проводника (рис. 4.8, точки 3; 6). К таким цепям применимы правила Кирхгофа, позволяющие провести полный расчет цепи, т.е. определить токи в каждом проводнике.

иправить r3

Первое правило Кирхгофа гласит: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю, т.е.
.

При этом токи, текущие к узлу, берутся со знаком плюс, а токи, текущие от узла - со знаком минус, или наоборот.

Второе правило Кирхгофа гласит: в любом замкнутом контуре, ПРОИЗВОЛЬНО выбранном в разветвленной цепи проводников, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков цепи равна алгебраической сумме ЭДС в этом

контуре, т.е.

Для составления уравнений по второму правилу Кирхгофа необходимо иметь в виду следующие правила:

1. Произвольно выбирается направление обхода контура (по часовой стрелке или против).

2. Произвольно выбираются и обозначаются направления токов во всех участках цепи, причем в пределах одного участка (т.е. между соседними узлами) ток сохраняется как по величине, так и по направлению.

3. Если выбранное направление обхода контура совпадает с направлением тока, то произведение тока на сопротивление i k R k берется со знаком "плюс", и наоборот.

4. Перед ЭДС  k ставится знак "плюс", если при обходе контура идем внутри источника от отрицательного полюса к положительному, т.е. если на пути обхода контура потенциал возрастает.

Покажем применение правил Кирхгофа на примере цепи, приведенной на рис.4.8. Направление токов показано на чертеже. На основе 1-го правила Кирхгофа для узла 3 имеем:
. На основе 2-го правила Кирхгофа для контура 12361 можно записать: , а для контура 34563 можно записать:. Если известны сопротивления участков цепиr x R x и включенные в них ЭДС  k , то приведенная система 3-х уравнений позволяет рассчитать токи, текущие в отдельных проводниках.

Правила Кирхгофа применимы не только для цепей постоянного тока. Они справедливы и для мгновенных значений тока и напряжения цепей, в проводниках, которых электрическое поле изменяется сравнительно медленно. Электромагнитное поле распространяется по цепи со скоростью, равной скорости света с. Если длина цепи l , то до самой отдаленной точки цепи ток дойдет за время t = l/c. Если за это время ток изменяется незначительно, то мгновенные значения тока практически по всей цепи будут одинаковыми и могут, следовательно, описываться законами, справедливыми для постоянных токов. Токи, удовлетворяющие такому условию называются квазистационарными (как бы постоянными). Для изменяющихся токов условие квазистационарности имеет вид:

; t << T (4.10)

где Т - период изменения тока. Это условие выполняется при зарядке и разрядке конденсатора и для переменных токов промышленной частоты. Поэтому к ним применимы правила Кирхгофа.

Анализ распределения энергии при работе источника постоянного тока

Пусть источник постоянного тока имеет ЭДС  и внутреннее сопротивление r и замкнут на сопротивление внешней нагрузки R .

Проанализируем несколько величин, характеризующих распределение энергии при работе источника постоянного тока.

а) Затраченная источником мощность Р.

Работа, совершаемая сторонними силами в замкнутой цепи по перемещению заряда dq , равна:

(4.11)

Исходя из определения, мощность, развиваемая сторонними силами в источнике, равна:

(4.12)

Эта мощность расходуется источником во внешней и внутренней по отношению к источнику частях цепи.

Используя закон Ома для замкнутой цепи, можно затраченную мощность представить в виде:

(4.13)

Если сопротивление нагрузки R уменьшается, стремясь к нулю, то
. ЕслиR увеличивается, стремясь в бесконечность, то
. График зависимости затраченной сторонними силами мощности Р от величины внешнего сопротивления R показан на рис.4.9 кривой 1.

б) Полезная мощность P пол.

Полезной по отношению к источнику мощностью P пол считают мощность, расходуемую источником во внешней цепи, т.е. на внешней нагрузке. Она равна:

Пользуясь законом Ома для замкнутой цепи, Рпол можно представить в виде.

(4.15)

Если R уменьшается, стремясь к нулю, то Р пол тоже стремится к нулю. Если R увеличивается, стремясь в бесконечность, то знаменатель увеличивается быстрее числителя в (4.15). Поэтому при R
, стремится к нулю. В этом случае между крайними значениями Р пол возможно существование максимального значения. Для нахождения P пол, max найдем первую производную по R выражения Р пол и приравняем ее нулю:

(4.16)

Таким образом, при сопротивлении внешней цепи R, равном сопротивлению внутренней цепи r, полезная мощность источника тока имеет максимальное значения, которое может быть найдено по формуле:

График зависимости P пол = f (R ) показан на рис.4.9 кривой 2.

в) Величина коэффициента полезного действия цепи  источника тока согласно определения равна:

(4.17)

При R  0, величина  0, при R
, величина  100%. В последнем случае P пол стремится к нулю, и такие режимы работы источника не представляют практического интереса. График зависимости КПД  источника тока от величины нагрузки R показан на рис.4.9 кривой 3.

перерис.

РАБОТА №60

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ МОСТА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: ознакомиться с принципом работы мостовой схемы; произвести измерение нескольких резисторов; проверить законы параллельного и последовательного соединения резисторов.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, магазин сопротивлений, нуль-гальванометр, набор измеряемых сопротивлений, ключ, провода, реохорд.

Простейший мост постоянного тока содержит элементы, представленные на рис.60.1, где R x - измеряемое сопротивление; R 1 и R 2 - два плеча реохорда.

перерис всё!

Реохорд представляет собой металлическую проволоку, намотанную на непроводящий каркас, по которой может перемещаться скользящий контакт. Обозначим сопротивление части реохорда от одного его конца до скользящего контакта через, R 1 (R АД =R 1). Тогда сопротивление оставшейся части реохорда будет R 2 (R ДБ =R 2). При перемещении подвижного контакта Д реохорда изменяется величина и направление тока в нуль - гальванометре Г.

Выведем формулу для определения R x . Обозначим ток, текущий по R x через i x по R 0 через i 0 , ток через гальванометр Г - через i Г токи через R 1 и R 2 - через i 1 и i 2 . Их направления могут быть выбраны произвольно, например так как указано на рис.60.1.

На основании 1-го закона Кирхгофа для узлов С и Д имеем:

(C)

(Д)
(60.1)

На основании 2-го закона Кирхгофа для контуров АСДА и ДСВД имеем:

Изменяя положение движка Д реохорда, можно добиться, что г"г станет равна нулю. Тогда уравнения (60.1) можно записать в виде:
;
. Откуда i x =i 0 ,а i 2 =i 4 . Это состояние места называется уравновешенным. При равновесии моста постоянного тока формулы (60.2) имеют вид:

(60.3)

Перенеся в (60.3) отрицательные слагаемые вправо и почленно разделив, имеем:

(60.4)

Учтем, что R 1 и R 2 выполнены из однородной проволоки, удельное сопротивление которой , поперечное сечение по всей длине одинаково равно s. Длины частей реохорда R 1 и R 1 соответственно равны l 1 и l 2 . Тогда вместо (60.4) имеем:

;
(60.5)

Таким образом, добившись равновесия моста постоянного тока, замечают величину сопротивления R 0 и измеряют длины l 1 и l 2 реохорда, затем рассчитывают R x по формуле (60.5).

Описание установки

Мост постоянного тока собран согласно схеме рис.60.1 и укреплен на вертикальной панели у рабочего стола. Питание схемы осуществляется от общего выпрямителя и подается от щитка к рабочей панели. Сопротивление R o представляет собой магазин сопротивлений. Сопротивление R x выполнено в виде набора нескольких сопротивлений неизвестной величины, которые проводами могут присоединяться к схеме как по отдельности, так и соединные либо параллельно, либо последовательно. Реохорд АДБ прикреплен к рабочей панели с внутренней стороны. На наружной стороне панели показан указатель положения движка реохорда, способный перемещаться по шкале с равномерно нанесенными крупными и мелкими делениями, так что длина частей реохорда пропорционально числу делений от начала шкалы до движка и числу делений от движка до конца шкалы.

Порядок выполнения работы

1.Ознакомившись с деталями схемы и шкалами приборов (нуль-гальванометр, реохорд, магазин сопротивлений), подключают с помощью проводов одно из неизвестных сопротивлений R x 1 из набора к схеме моста.

2. На электрощите включают питание рабочей панели. Устанавливают движок реохорда посередине, т.е. количество делений шкалы реохорда, соответствующее длинам l 1 и l 2 , должно быть одинаковым (равноплечный реохорд). В магазине сопротивлений R o устанавливаем какое-либо сопротивление (200-300 Ом). Кратковременно замыкают ключ К, следя за показанием нуль-гальванометра. Изменяя сопротивление r 0 магазина, следят за отклонением стрелки нуль-гальванометра и добиваются, чтобы его стрелка установилась на нуле. Затем записывают в таблицу величину R o в омах и количество делений, соответствующее длинам плеч l 1 и l 2 реохорда.

3. Изменяют положение движка Д реохорда в ту или иную сторону на один-два крупных деления. Следует избегать сильно различающихся длин l 1 и l 2 например l 1 =0.9l 2 , т.к. это может привести к потери точности измерения R x . Необходимо помнить, что положение движка должно соответствовать целому числу крупных делений, характеризующих l 1 и l 2 . Измерения R x при неравноплечном реохорде выполняют два раза, устанавливая разные длины l 1 и l 2 , один раз l 1 > l 2 , второй раз l 1 < l 2 . Результаты заносят в таблицу.

4.Вместо первого сопротивления R x 1 включают другое R x 2 , из набора сопротивлений. С ним проводят измерения, аналогично описанным в п.2 и п.3., и результаты заносят в таблицу.

5.Соединяют сопротивления R x 1 и R x 2 последовательно, а затем параллельно и трижды определяют их общее сопротивление при каждом соединении так, как описано в п.2, п.3 и п.4.

6. Проводят оценку погрешностей измерения сопротивлений (относительная и абсолютная).

7. Используя средние значения R x 1 и R x 2 из таблицы, рассчитывают общее сопротивление при последовательном соединении R посл и при параллельном R пар. Проводят анализ полученных результатов.

Вопросы для допуска к работе

1. Какие элементы содержит простейший мост постоянного тока для измерения сопротивления? Перечислите и укажите их на рабочей панели.

2. Что означает "уравновешенный" мост?

3. Какими способами можно добиться равновесия моста?

4. Сколько раз необходимо измерять каждое из неизвестных сопротивлений?

5. Какие соединения двух сопротивлений исследуются в данной работе?

6. Где надо установить движок реохорда, чтобы мост был разноплечным? Какие длины плеч l 1 и l 2 целесообразно еще использовать?

Вопросы для сдачи работы.

1. Нарисуйте схему простейшего моста постоянного тока. Охарактеризуйте назначение элементов схемы.

2. Выведите и объясните расчетную формулу для определения неизвестного сопротивления R x .

3. Законы Кирхгофа для разветвленных цепей.

4. От чего зависит сопротивление металлического проводника. Что показывает удельное сопротивление и от чего оно зависит?

5. Законы параллельного и последовательного сопротивления проводников.

6. Объяснение порядка выполнения работы.

7. Обсуждение полученных результатов.

Литература:

Стр.99-100, 103-105; - стр.157-159.

РАБОТА №63

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Цель работы: опытным путем изучить зависимость полезной мощности и КПД источника постоянного тока от величины сопротивления внешней цепи (сопротивления нагрузки).

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, миллиамперметр, вольтметр, два магазина сопротивлений, два ключа, провода.

Описание установки

Схема для реализации поставленной выше цели представлена на рис.63.1. Источником служит выпрямитель ИПТ.

Последовательно с выпрямителем соединяется декадный магазин сопротивлений R o , который можно рассматривать как добавочное внутреннее сопротивление источника, так как собственное сопротивление выпрямителя не велико (8 Ом). Второй декадный магазин сопротивлений R является внешним сопротивлением по отношению к источнику тока, т.е. сопротивлением нагрузки источника. Миллиамперметр mА позволяет измерить ток во внешней цепи при разных значениях R. Вольтметр V измеряет напряжение на внешней цепи источника. Ключ К 1 позволяет определить с помощью вольтметра величину ЭДС источника при разомкнутой внешней цепи, т.е. при разомкнутом ключе К 2 .

Величина R o задается преподавателем и при выполнении работы не изменяется. Величина R внешнего сопротивления может изменять произвольно, но необходимо использовать несколько значений R , меньших R o , обязательно - величину R, равную R o и несколько значений R, больших R o . Интервал между значениями R (при R > R o ) должен быть порядка 100-150 Ом.

Порядок выполнения

1.Собирают схему согласно рисунку 63.1 (или проверяют ее если собрана). Знакомятся со шкалами измерительньк приборов (декадные магазины сопротивлений, вольтметр, миллиамперметр). Определяют цены делений используемых приборов.

2. Включают выпрямитель в сеть с напряжением 220 В и тумблер на панели выпрямителя. В магазине R o устанавливают сопротивление порядка 100-150 Ом, замыкают ключ К 1 (ключ К 2 при этом разомкнут) и с помощью вольтметра определяют величину ЭДС выпрямителя, записываю ее в таблицу.

3.Замыкают оба ключа K 1 и К 2 . Изменяя внешнее сопротивление R , снимают показания вольтметра и миллиамперметра и заносят их в таблицу. Величина R изменяется 10 раз, из них по крайней мере 3 значения должны быть меньше R 0 .

4. Рассчитывают значения полезной мощности Р пол и коэффициента полезного действия по формулам

,
(63.1)

Строят графики зависимости  и P пол от величины внешней нагрузки R, т.е. =f(R); используют миллиметровую бумагу.

5. Проводят анализ полученных результатов. Рассчитывают максимальное значение полезной мощности при данном R o по формуле P пол, max = E 2 /4 R 0

Вопросы для допуска к работе

1. Какие элементы должна содержать схема для выполнения работы?

2. Для чего служит декадный магазин сопротивления R 0 ? Изменяется ли его сопротивление при выполнении работы? Каким оно должно быть?

3. Назовите цены делений используемых вольтметра и амперметра.

4. Как определить величину ЭДС источника для данной схемы?

5. Объясните порядок выполнения работы.

Вопросы для сдачи работы

1. Какую величину называют полезной мощностью по отношению к источнику? Как ее можно определить?

2. Вывести условие, при котором полезная мощность источника принимает максимальное значение?

3. Нарисовать и пояснить график зависимости полезной мощности от величины сопротивления внешней цепи.

4. Какая величина называется коэффициентом полезного действия источника тока?

5. Какова зависимость КПД источника тока от величины внешней нагрузки? При каком условии КПД источника становится максимальным?

6. Нарисуйте схему по которой выполняется работа. Объясните назначение элементов схемы.

7. Каково должно быть сопротивление внешней цепи, чтобы КПД стал равен 75%? Внутреннее сопротивление источника считать известным и равным 12 Ом.

8. Каково максимальное значение полезной мощности источника тока? От чего оно зависит?

9. Анализ полученных результатов и оценка погрешностей определения КПД и полезной мощности источника.

Литература: - стр.163-165.

РАБОТА №64

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: изучить компенсационный метод измерения ЭДС;

проверить законы параллельного и последовательного источников с одинаковым значением ЭДС.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, нормальный элемент Вестона, нуль-гальванометр, сухие элементы - 2 шт., 2 ключа, реохорд, провода.

Обоснование метода измерений.

Метод компенсации применяется для определения ЭДС источников или разностей потенциалов, небольших по величине. Сущность этого метода можно понять, анализируя работу схемы, приведенной на рис.64.1.

Источник с ЭДС E 0 питает током реохорд АВ. Источник с ЭДС Е 1 присоединен к части реохорда между точками А и М. Необходимо, чтобы источники тока были соединены к точке А приведенной схемы одноименными полюсами, т.е. навстречу друг другу. Величина Е 0 должна быть больше Е 1 , а внутреннее сопротивление источников тока должно быть гораздо меньше сопротивления реохорда АВ. Обозначим сопротивление части реохорда от конца А до движка М через R AM . Тогда сопротивление оставшейся части будет R MB . Сопротивление всего реохорда, т.е. R AB =R AM +R MB остается неизменным при любом положении движка М. Ток, текущий от В до М, обозначим через i ток, текущий от М до А, - через I ’ , ток, даваемый источником Е 1 - через i 1 .

Установим условия, при которых ток в гальванометре Г станет равным нулю.

Согласно 1-ому закону Кирхгофа для узла А имеем: i ’= i ’’+ i ,

Cогласно 2-му закону Кирхгофа для контуров АСДВА и АFКМА:

где r 0 и r 1 - внутренние сопротивления источников Е 0 и Е 1 cоответственно; R Г -сопротивление нуль-гальванометра.

Перемещая подвижной контакт М, можно добиться, что ток в гальванометре i 1 cтанет равным нулю. Тогда i = i ’ , а равенства (64.1) примут вид:

(64.2)

Отсутствие тока в цепи гальванометра означает, что ЭДС источника тока  равна разности потенциалов между токами А и М реохорда. В этом случае можно также сказать, что ЭДС  уравновешена падением потенциала (отсюда название метода).

Разделив в (64.2) одно равенство на другое, получим:

;
(64.3)

Если вместо  1 включить другой источник тока с  2 то для того, чтобы ток в цепи гальванометра стал равен нулю, необходимо движок М передвинуть в другое положение М". Тогда аналогично (64.2) и (64.3) получим:

(64.4)

(64.5)

Поделив левые и правые части равенств (64.3) и (64.5), получим:

(64.6)

Таким образом, если добиться компенсации с начала для известной ЭДС  1 , а затем для неизвестной для ЭДС  2 и определить величину отношения R AM / R AM ? то можно найти величину неизвестной  2 по формуле (64.6).

Отметим, что отношение сравниваемых ЭДС источников не зависит от их внутренних сопротивлений, и от других сопротивлений схемы, а определяется только сопротивлениями участка реохорда, к которому подключаются сравниваемые источники с  1 и  2 .

Т.к. для реохорда берется калиброванная проволока, сопротивление которой R=l/s, то отношение участков сопротивлений R AM и R AM ’ можно заменить отношением длин l AM и l AM ’ этих участков. В этом случае расчетная формула для определения неизвестной ЭДС примет вид:

(64.7)

Описание установки.

Схема для определения ЭДС источника методом компенсации представлена на рис.64.2.

Согласно этой схеме собрана установка, укрепленная на вертикальной панели у рабочего стола. Питание схемы осуществляется от его выпрямителя и подается от щитка (12В) к рабочей панели. Реохордом АВ является ползунковый реостат, к движку М которого присоединен нуль-гальванометр Г. Для включения ЭДС питания  0 и нуль-гальванометра служит ключ К 1 . Перекидной ключ K 2 позволяет включать в цепь нуль-гальванометра либо источник с эталонной ЭДС  1 , либо источник, величину ЭДС  2 которого надо определить. Эталонным источником является нормальный элемент Вестона. Вместо  2 можно включить батарею, состоящую из двух сухих элементов, соединенных проводами сначала последовательно, затем параллельно.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомившись с деталями схемы и шкалами приборов (нуль-гальванометр, реохорд), замыкают ключ К 2 на эталонный элемент  1 . Затем замыкают ключ К 1 и передвигают движок М реохорда, добиваясь полного отсутствия тока в цепи гальванометра. Ток в цепи следует замыкать на очень короткое время, достаточное для наблюдения за показаниями нуль-гальванометра.

2. Измеряют длину l AM плеча AM реохорда (до середины ползунка М). Измерения длины плеча AM производят три раза и вычисляют его среднее значение.

3. Перебрасывают рубильник K на исследуемый элемент  2 и определяют длину l AM плеча AM" реохорда, при которой наступает компенсация неизвестной ЭДС  2 .

4. Подключают вместо  2 с помощью проводов другой исследуемый источник  3 и определяют его ЭДС аналогично п.3. Результаты заносят в таблицу.

5. Соединяют источники  2 и  3 последовательно, затем параллельно и определяют общую ЭДС полученной батареи источников аналогично п.3 и п.4. Результаты заносят в таблицу.

6. Проводят оценку погрешностей (абсолютная и относительная) при измерении ЭДС методом компенсации. Проводят анализ полученных результатов.

Вопросы для допуска к работе.

1. Какие элементы содержит схема для определения ЭДС источника постоянного тока методом компенсации? Перечислите и укажите их на рабочей панели.

2. Почему метод измерения называется "метод компенсации"? Что чем компенсируется?

3. Как узнать, достигнута ли компенсация? Как можно добиться состояния компенсации?

4. Какие величины необходимо практически измерить для последующего расчета ЭДС?

5. Какие соединения двух неизвестных источников тока используются в этой работе?

Вопросы для сдачи работы.

1. Какая величина называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока? В каких единицах она измеряется?

2. К каким характеристикам источника целесообразно отнести ЭДС: силовым или энергетическим?

3. В чем состоит сущность метода компенсации?

4. Какие ограничения накладываются на характеристики используемых источников тока?

5. Выведите и объясните расчетную формулу для определения ЭДС методом компенсации.

6. Законы при последовательном и параллельном соединении источников тока.

7. Законы Кирхгофа для разветвленных цепей.

8. Объясните порядок выполнения работы.

9. Обсуждение полученных результатов.

Литература:

Стр.202-203; 205-207.

РАБОТА №65

ГРАДУИРОВАНИЕ ВОЛЬТМЕТРА

Цель работы: ознакомление с работой прибора магнитоэлектрической системы и принципами градуирования вольтметра.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, рабочий вольтметр, испытуемый вольтметр, ключ, два магазина сопротивлений, провода.

Обоснование метода измерений.

Проградуировать прибор - это установить соотношение между делениями шкалы прибора и значения величин, отсчитываемыми по той шкале.

Градуировка вольтметра означает определение соотношения между числом делений по шкале, на которое отклонилась стрелка вольтметра, и напряжением на его клеммах.

Градуировку вольтметра проводят, пользуясь схемой, показанной на рис.65.1.

На уроке рассматривается прибор под названием реостат, сопротивление которого можно изменять. Подробно рассматривается устройство реостата и принцип его работы. Показывается обозначение реостата на схемах, возможные варианты включения реостата в электрическую цепь. Приводятся примеры применения реостата в повседневной жизни.

Тема: Электромагнитные явления

Урок: Реостаты

На предыдущих уроках мы говорили, что существуют не только потребители и источники электрического тока, но еще и так называемые элементы управления. Одним из важных элементов управления является реостат или любой другой прибор, основанный на его действии. В реостате используется проводник из заранее известного материала с определенной длиной и сечением, а значит, мы можем узнать его сопротивление. Принцип работы реостата основан на том, что мы можем изменять это сопротивление, следовательно, можем регулировать силу тока и напряжение в электрических цепях.

Рис. 1. Устройство реостата

На рисунке 1 представлен реостат без оболочки. Это сделано для того, чтобы можно было посмотреть все его части. На керамическую трубу (1) намотан провод (2). Его концы выведены к двум контактам (3а). Также имеется штанга, в конце которой расположен контакт (3б). По этой штанге движется скользящий контакт (4), так называемый «ползун».

Если расположить скользящий контакт посередине (рис. 2а), то будет задействована только половина проводника. Если передвинуть этот скользящий контакт дальше (рис. 2б), то будет задействовано больше витков провода, следовательно, его длина возрастет, сопротивление увеличится, а сила тока уменьшится. Если же передвинуть «ползун» в другую сторону (рис. 2в), то, наоборот, сопротивление уменьшится, и сила тока в цепи возрастет.

Рис. 2. Реостат

Внутри реостат полый. Это необходимо, поскольку при протекании тока реостат нагревается, а эта полость обеспечивает быстрое охлаждение.

Когда мы изображаем схему (рисунок электрической цепи), то каждый элемент обозначается определенным символом. Реостат обозначается следующим образом (рис. 3):

Рис. 3. Изображение реостата

Красный прямоугольник соответствует сопротивлению, синий контакт - подводящий к реостату провод, зеленый - скользящий контакт. При таком обозначении легко понять, что при движении ползунка влево сопротивление реостата уменьшится, а при движении вправо - увеличится. Также может использоваться следующее изображение реостата (рис. 4):

Рис. 4. Еще одно изображение реостата

Прямоугольник обозначает сопротивление, а стрелка - то, что его можно изменять.

В электрическую цепь реостат включается последовательно. Ниже приведена одна из схем включения (рис. 5):

Рис. 5. Включение реостата в цепь с лампой накаливания

Зажимы 1 и 2 подключаются к источнику тока (это может быть гальванический элемент или подключение к розетке). Стоит обратить внимание, что второй контакт должен быть подключен к движущейся части реостата, которая позволяет менять сопротивление. Если увеличивать сопротивление реостата, то накал лампочки (3) будет уменьшаться, а значит, ток в цепи тоже уменьшается. И, наоборот, при уменьшении сопротивления реостата лампочка будет гореть ярче. Этот метод часто используется в выключателях для регулировки интенсивности освещения.

Реостат также можно использовать для регулировки напряжения. Ниже представлены две схемы (рис. 6):

Рис. 6. Включение резистора в цепь с вольтметром

В случае использования двух сопротивлений (рис. 6а) мы снимаем определенное напряжение со второго резистора (устройство, которое основано на сопротивлении проводника), и таким образом, как бы регулируем напряжение. При этом надо точно знать все параметры проводника для правильной регулировки напряжения. В случае с реостатом (рис. 6б) ситуация заметно упрощается, поскольку мы можем непрерывно регулировать его сопротивление, а значит, и изменять снимаемое напряжение.

Реостат - достаточно универсальный прибор. Кроме регулировки силы тока и напряжения, он также может использоваться в различных бытовых приборах. Например, в телевизорах регулировка громкости происходит с помощью реостатов, переключение каналов в телевизоре также неким образом связано с использованием реостатов. Также стоит обратить внимание, что для безопасности лучше использовать реостаты, снабженные защитным кожухом (рис. 7).

Рис. 7. Реостат в защитном кожухе

На этом уроке мы рассмотрели строение и применение такого элемента управления, как реостат. На следующих уроках будут решаться задачи, связанные с проводниками, реостатами и законом Ома.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Центр образования «Технологии обучения» ().
2. Школьный демонстрационный физический эксперимент ().
3. Электротехника ().

Домашнее задание

1. Стр. 108-110: вопросы № 1-5. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. Как можно регулировать накал лампы с помощью реостата?
3. Всегда ли при движении ползунка реостата вправо сопротивление будет уменьшаться?
4. Чем обусловлено применение именно керамической трубы в реостате?

Инструкция

Используя учебник по , повторите, как распределяется ток в случаях параллельного и последовательного включения резисторов в электрическую цепь. Знание данных закономерностей позволит правильно подключить реостат. Как известно, при параллельном подключении резистора в цепь ток, проходящий ранее через элемент, к которому подключается , разделяется на две части: одна часть течет через первоначальный элемент, а другая – через резистор.

Нарисуйте схему параллельного включения реостата в цепь, если вам необходимо шунтировать некоторый элемент цепи и контролировать силу тока через него в максимально возможных пределах. При максимально возможном значении сопротивления реостата ток через исследуемый элемент остается первоначальным, а при минимальном сопротивлении весь ток проходит через реостат в обход элемента.

Обратите внимание, что параллельного включения реостата не позволит вам контролировать общий ток в цепи, ибо при параллельном подключении элементов общая сила тока не изменяется, она только распределяется между отдельными ветвями.

Если же вам необходимо иметь возможность изменять общий ток цепи, то реостат нужно подключить последовательно с элементами цепи. Тогда появится возможность изменять общее сопротивление цепи, регулируя таким образом и общий ток.

Заметьте, что при подключении реостата последовательно с исследуемым элементом появляется возможность увеличивать и уменьшать напряжение на элементе. Это обосновывается тем, что напряжение в цепи распределятся по элементам в соответствии с правилом: чем больше сопротивление, тем больше напряжение, падающее на данном элементе.

Обратите также внимание на то, что при подключении реостата в цепь последовательно с исследуемым элементом можно контролировать не только напряжение на данном элементе, но и силу тока. Ведь при изменении тока в общей цепи его значение изменяется и в отдельных элементах цепи, включенных последовательно в цепь. Между тем, существует определенное различие между двумя способами регулирования силы тока через элемент. В случае подключения реостата последовательно вы получаете возможность изменять силу тока в исследуемом элементе, не затрагивая всю схему, а значит, не вторгаясь в режим работы устройства. В случае же включения реостата последовательно в электрическую цепь любые манипуляции с ним приводят к колебаниям силы тока во всей цепи, нарушая, таким образом, работу прибора.

Изменение тока, происходящее при изменении сопротивления, зависит от того, каким именно является исследуемой резистивный элемент, а именно, от того, какой вольт-амперной характеристикой он обладает.

Вам понадобится

• Учебник по физике 8 класса, лист бумаги, шариковая ручка.

Инструкция

Прочитайте в учебнике по формулировку выражения закона Ома. Как известно, именно этот закон описывает связь электрического тока и напряжения на участке цепи. По закону Ома, сила тока прямо пропорциональна напряжению на участке цепи и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка. Таким образом, очевидным является, что при увеличении сопротивления ток, проходящий через него, уменьшается.

Обратите внимание, что зависимость тока от сопротивления участка цепи является гиперболической, что говорит о резком спаде тока при увеличении значения сопротивления.

Помните, что такая зависимость тока от сопротивления является справедливой лишь для участка цепи, состоящего из одного элемента, а также лишь для обычных линейных резистивных элементов. Линейность в данном случае означает то, что вольт-амперная (зависимость тока от напряжения) представляется в виде прямой линии.

Напишите на листе бумаги выражение для закона Ома . Оно будет равно произведению силы тока на сопротивление резистора. Придайте сопротивлению несколько постоянных значений и запишите соответствующие законы Ома для каждого из них. Вы получите уравнения прямых с различными коэффициентами.

Обычно редко кто задумывается, каким образом в различных приборах регулируется уровень звука. Во многих электрических приборах регулировка громкости звука осуществляется за счет изменения силы тока. Для этого чаще всего применяется специальный аппарат, разработанный Иоганном Христианом Поггендорфом, который регулирует силу тока и напряжение электрической сети, он получил название – реостат.

Итак, реостат представляет собой прибор, основная задача которого заключается в регулировке напряжения и силы тока. Этот элемент электрической сети весьма распространен, его применяют в физике, радиотехнике, электронике.

Устройство реостата

Устройство реостата для опытного физика не вызывает трудностей и представляет собой керамический полый цилиндр с металлической обмоткой, концы которой выведены на специальные контакты, получившие название клеммы, расположенные с обеих сторон керамического цилиндра. В качестве обмотки применяется материал, обладающий большим удельным сопротивлением, за счет этого даже небольшое изменение длины отражает изменение и сопротивления. Вдоль цилиндра расположен металлический шланг, на котором закреплен движущийся контакт, который получил название ползунок.

Керамический цилиндр внутри пуст для того, чтобы происходило охлаждение прибора при прохождении через него электроэнергии. Для безопасности ряд приборов имеют специальный кожух, скрывающий все внутренности механизма.

Принцип работы

Вне зависимости от типа реостата, принцип работы у всех примерно аналогичен. Например, ползунковый реостат работает следующим образом:

• Подключение к сети происходит через клеммы, расположенные с обеих сторон цилиндра;
• Ток проходит по всей длине, в зависимости от места расположения ползунка. Так, если ползунок находится в центре прибора, то ток проходит только до середины; если ползунок находится в конце прибора, тогда ток проходит целиком, соответственно напряжение максимальное.

Чаще всего задействована в работе только часть прибора, т.е. ползунок не доходит до края реостата. Изменение места расположения бегунка прямо пропорционально изменению силы тока. Подключение реостата к электрической сети осуществляется последовательно.

Виды реостатов

Разновидность реостатов зависит от их основного назначения:

• Пусковые реостаты предназначены для запуска электродвигателей с постоянным или переменным током;
• Пускорегулирующие реостаты не только предназначены для запуска двигателей с постоянным током, но и для регулировки силы тока;
• Балластные реостаты, еще получили название нагрузочные, поглощают энергию, которая необходима для регулирования нагрузки на электрогенераторах, т.е. создают нужное сопротивление в электрической сети;
• Реостаты возбуждения применяются в электрических машинах для регулировки постоянного и переменного тока, они поглощают лишнюю энергию;
• В особорую группу выделяют реостаты, предназначенные для деления напряжения, их называют потенциометрами. Они позволяют применять в одном приборе различные напряжения, не используя дополнительные приспособления, такие как трансформаторы и блоки питания. В этом случае реостат имеет 3 клеммы, где нижние клеммы используются для входа тока, а верхняя и одна нижняя – в качестве выхода. Регулировка напряжения осуществляется при движении ползунка.

Благодаря применению в электрических приборах и машинах реостатов, происходит уменьшение снижения скачков электрического тока и перегрузок двигателя, это, в свою очередь, увеличивает срок службы электрических приборов.

Реостат на электрической схеме имеет свое особое обозначение.

Виды реостатов по материалу их изготовления

Главным элементом, определяющим принцип работы реостата, является материал, из которого он изготовлен. Кроме того, при прохождении через прибор тока должно происходить его охлаждение: воздушное или жидкостное. Воздушное охлаждение происходит благодаря полому цилиндру и применимо во всех приборах. Жидкостное охлаждение используется только для реостатов, изготовленных из металла. Охлаждение происходит за счет полного погружения в жидкость или отдельных частей прибора. Жидкостные реостаты могут быть водными или масляными.

Можно выделить следующие реостаты по материалу изготовления:

• Металлические реостаты с воздушным типом охлаждения наиболее распространены, поскольку применимы в различных сферах и для различных приборов, сопротивление в них может быть постоянным или ступенчатым. Достоинством подобных конструкций являются компактные размеры, достаточно простая конструкция, доступная ценовая стоимость. Металлические жидкостные реостаты представляют собой сосуд, наполненный жидкостью. В качестве материала изготовления могут быть использованы сталь, чугун, хром, никель, железо и др.;
• Жидкостные реостаты применимы для регулировки силы тока;
• Керамические – применимы при относительно небольших нагрузках;
• Угольные на сегодняшний день применяются только в промышленной сфере и представляют собой ряд шайб из угля, сжатых друг с другом при помощи пружин. Изменение сопротивления данного типа реостата происходит при помощи изменения силы сжатия пружин.

Задаваясь вопросом, зачем в повседневной жизни нужен данный прибор, можно получить банальный ответ: ни один современный телевизор не обходится без реостата. Благодаря этому прибору, происходит регулировка уровня громкости, также он связан с возможностью переключения каналов.

Как видно, это действительно универсальный и незаменимый компонент. Стоит подчеркнуть, что разновидностей реостатов весьма много, в зависимости от их основного предназначения. На сегодняшний день реостат применяется в промышленной сфере, в автомобилестроении, в современной электронной технике. Он широко применим в радиотехнике и различных типах электродвигателей. Выход из строя реостата способен вывести из строя всю систему электросети.

Видео

§ 1 Реостат: принцип работы и устройство

Важным элементом управления сопротивлением электрической цепи является реостат. В нем используется проводник из известного материала с определенной длинной, позволяющей рассчитать его сопротивление. Принцип работы заключается в изменении сопротивления, а значит, появляется возможность регулировать силу тока и напряжение в электрических цепях. Рассмотрим устройство реостата.

На рисунке 1 представлен реостат, состоящий из керамической трубы (1), на которую намотан провод (2) и имеются два контакта (3а), также штанга, в конце которой расположен контакт (3б). По ней движется скользящий контакт (4), который называют «ползун».

При расположении «ползуна» посередине (рис. 2а) только половина проводника принимает участие в электрической цепи. При передвижении его дальше (рис. 2б) длина проводника возрастает, и сопротивление увеличивается, но сила тока уменьшается. Передвигаем «ползун» в противоположную сторону (рис. 2в), и сопротивление уменьшится, а сила тока в цепи возрастет.

Внутри реостат полый, так как при протекании тока происходит нагревание реостата, а полость способствует быстрому охлаждению.

§ 2 Обозначения реостата на схемах и его использование

Как известно, каждый элемент цепи обозначается символом. Обозначение реостата (рис. 3):

Красный прямоугольник - сопротивление, синий - контакт, подводящий провод, зеленый - скользящий контакт. Если ползунок передвинуть влево, сопротивление реостата уменьшается, а при движении вправо - увеличивается.

Используют еще одно обозначение реостата (рис. 4):

На схеме прямоугольник обозначает сопротивление, а стрелка - то, что его можно изменять.

В электрическую цепь реостат включают последовательно. Рассмотрим схему включения реостата (рис. 5):

Зажимы (1) и (2) подключаются к источнику тока. Второй контакт подсоединен к ползунку. Увеличивая сопротивление реостата, накал лампочки (3) начинает уменьшаться, а значит, ток в цепи тоже уменьшается. Если уменьшить сопротивление реостата лампочка будет гореть ярче.

Реостат - универсальный прибор. Его используют в бытовых приборах. Например, в телевизорах для регулирования громкости и при переключении каналов. Для безопасности используют реостаты с защитным кожухом (рис. 6).

Список использованной литературы:

1. Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений /А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2010.
2. Физика 7-9. Учебник. И.В. Кривченко.
3. Физика. Справочник. О.Ф. Кабардин. – М.: АСТ-ПРЕСС, 2010.