Часть 1. Реостат

Введение

Потребители тока (электроизмерительные приборы, сопротивления, лампочки и т.д.) рассчитаны на определенную мощность. Для нормальной длительной работы потребителей тока напряжение и ток на них не должны превышать некоторых установленных значений, которые называются номинальными значениями напряжения и тока. В случаях превышения номинальных значений потребитель (нагрузка) разогревается, срок его службы уменьшается.

Очень часто возникает необходимость произвести измерения при различных режимах (при разных значениях тока и напряжения). Часто имеющиеся в нашем распоряжении источники тока дают напряжение, превышающее то, на которое рассчитан потребитель тока. В этих случаях применяются регулирующие устройства – реостаты и потенциометры.

При регулировании напряжения на нагрузке, следует иметь в виду, что при этом будет изменяться и ток, протекающий через него. Можно говорить о пропорциональной зависимости между напряжением U и током I, только если сопротивление нагрузки R не зависит ни от напряжения, ни от тока. В большинстве случаев это условие выполняется, и сопротивление нагрузки можно считать независящим от тока и напряжения на них.

Изменение напряжения, подаваемого на нагрузку, и, следовательно, тока, протекающего через него, производится либо с помощью реостата, либо с помощью потенциометра.

Часть 1. Реостат

В лабораторной практике наибольшее распространение получили реостаты со скользящим контактом (рис. 1). Реостат состоит из фарфорового или шиферного основания, на котором намотана виток к витку голая проволока из реотана, нихрома или других сплавов с большим удельным сопротивлением. Над обмоткой расположен латунный стержень, по которому скользит ползунок D (скользящий контакт). Стержень, сопротивление которого практически равно нулю, оканчивается клеммой C. В качестве реостата он включается в цепь последовательно с нагрузкой через клеммы A и C или B и C (рис. 2). Если реостат подключен через клеммы A и C, ток пойдет по виткам, находящимся на участке AC. При смещении ползунка D вправо (в сторону клеммы C, см. рис. 1) участок AC увеличивается и сопротивление реостата возрастает. При подключении реостата через клеммы B и C ток идет по участку BC и при смещении ползунка D вправо (в сторону клеммы В) участок BC уменьшается и сопротивление реостата падает. Чем тоньше проволока, тем больше полное сопротивление реостата и меньше допустимый через него ток. На каждом реостате приводятся номинальное сопротивление и наибольший длительно допустимый ток.

Изменение силы тока и напряжения на нагрузке с помощью реостата происходит следующим образом. Пусть нагрузкой в цепи является электрическая лампочка (рис. 2). При увеличении сопротивления реостата увеличивается общее сопротивление цепи (R_общ), общий ток (I) уменьшается, следовательно, и ток через нагрузку, и напряжение на нем уменьшаются:

R_общ = R_н + R_реост , I = U/R_общ , U_н = I×R_н .

Следует помнить, что изменение тока в цепи не будет обратно пропорционально изменению сопротивления реостата, так как в цепи кроме изменяющегося сопротивления реостата имеется неизменное сопротивление нагрузки. Только в тех случаях, когда R_реост >>R_н , общий ток, а, следовательно, и ток через нагрузку будет изменяться почти обратно пропорционально сопротивлению реостата. При обратном соотношении сопротивлений (R_реост<<R_н) ток через нагрузку практически не будет изменяться при изменении сопротивления реостата.

Рассмотрим действие реостата с точки зрения изменения напряжения на нагрузке. Общее напряжение источника тока U_ист = U_н + U_pеост распределяется между реостатом и нагрузкой пропорционально их сопротивлениям U_н /U_pеост = R_н /R_pеост. Например, при уменьшении сопротивления реостата происходит перераспределение общего напряжения и при этом напряжение на нагрузке, а, следовательно, и ток через нее увеличиваются.

При выборе реостата наиболее важными параметрами цепи являются: напряжение источника тока, сопротивление нагрузки, а также допустимые значения тока и напряжения (или пределов изменения тока и напряжения) на нагрузке. Напряжение источника тока U_ист обычно известно. Сопротивление нагрузки, если оно не указывается непосредственно, приходится рассчитывать, исходя из данных о номинальных параметрах потребителя (например, напряжения u_ном и мощности W_ном). Рассчитать реостат – значит, указать его номинальное сопротивление и номинальный ток. Рассмотрим два примера расчета и выбора реостата.

1. Если напряжение источника тока больше допустимого напряжения на нагрузке, реостат применяют как балластное сопротивление, и расчет его приведен в примере 1.

Пример 1. В сеть с напряжением 110 В требуется включить электрическую лампочку с параметрами 24 В; 12 Вт. Рассчитайте реостат, который обеспечит номинальный накал лампочки в данной цепи.

Найдем ток через лампочку при номинальном (нормальном) накале. Поскольку мощность, выделяющаяся на лампочке, равна W = I×U:

I = W_ном /U_ном = 12 Вт/24 В = 0.5 А.

Такой же ток, т.е. 0.5 А, будет проходить и через реостат, так как лампа и реостат соединены последовательно. Таким образом, номинальный ток реостата (I_{pеост/ном}) должен быть не меньше, чем 0.5 А. Так как ток в цепи не должен превышать 0.5 А, а общее напряжение составляет 110 В, то, очевидно, что сопротивление всей цепи не может быть меньше, чем: R = U/I = 110 В/0.5 А = 220 Ом.

Цепь состоит из последовательно соединенных лампы и реостата, следовательно, общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных участков (R_общ = R_л + R_pеост). Сопротивление лампы можно рассчитать, зная, например, что при номинальном напряжении на лампе 24 В, ток через нее равен 0.5 А. Следовательно, сопротивление лампы:

R_л = U_ном /I_ном =24 B/0.5 А = 48 Ом.

Теперь можно найти и сопро­тивление реостата:

R_pеост = R_общ – R_л = 220 Ом – 48 Ом = 172 Ом.

Возможен и другой способ рассуждения.

Общее напряжение 110 В распределяется между лампой и реостатом пропорционально их сопротивлениям:

u_л /u_pеост = r_л /r_pеост , а R_pеост = R_л ×U_pеост/U_л.

Напряжение на лампе должно быть 24 В, следовательно, на реостат будет приходиться: 110 В – 24 В = 86 В.

Сопротивление лампы можно рассчитать, используя формулу для мощности в виде W = U²/R:

R_л = U /W_л =(24 В)²/12 Вт = 48 Ом.

Получаем для сопротивления реостата R_pеост = 48 Ом×(86 В/24 В) = 172 Ом.

При этом ток через реостат: I_pеост = U_pеост /R_pеост = 86 В/172 Ом = 0.5 А.

Конечно, в лаборатории можетне оказаться реостата с номинальными параметрами 172 Ом и 0.5 A. Следует выбирать реостат с большими значениями сопротивления и тока.В данном случае подойдут реостаты: 200 Ом, 1 А или 500 Ом, 0.6 А.

Причем, если выбрать реостат с параметрами 500 Ом, 0.6 А, то с помощью этого реостата можно (при необходимости) значительно уменьшить напряжение и ток через лампу по сравнению с номинальными. Так, при полностью введенном реостате (500 Ом), ток через лампу равен I_л = U_ист /(R_л + R_реост) = 110 В/(48 + 500) 0м = 0.20 А. При этом напряжение на лампе равно U_л= I_л×R_л = 0.20 А×48 Ом = 9.6 В.

Порядок выполнения работы (к части 1)

1. Получите у преподавателя потребитель тока (электрическую лампочку, низкоомный резистор) для выполнения практического задания. Определите номинальные параметры этой нагрузки (R_ном, U_ном, I_ном, W_ном).

2. Рассчитайте реостат для регулирования тока и напряжения на нагрузке. Конкретные данные об источнике тока и пределах регулирования тока задает преподаватель.

3. Нарисуйте схему (рис. 4). На схеме укажите исходное напряжение источника тока, номинальные параметры нагрузки и реостата, пределы измерения амперметра и вольтметра. Покажите ваши расчеты преподавателю.

4. Выберите реостат и необходимые электроизмерительные приборы (амперметр и вольтметр) для контроля тока и напряжения на нагрузке.

5. Соберите цепь для проверки правильности выбора реостата в соответствии со схемой рис. 4. Установите движок реостата в крайнее положение, при котором ток через реостат и нагрузку будет минимальным. После проверки схемы преподавателем или лаборантом подключите схему к источнику тока и произведите необходимые измерения.

6. Выведите реостат. Изменяя положение движка, занесите результаты показаний вольтметра и амперметра в таблицу.

7. Построите график зависимости U(I).

В отчете приведите схему, расчет реостата, параметры выбранного реостата и результаты проверки расчета, таблицу с измеренными данными и график. Дайте полное описание амперметра и вольтметра, которые вы выбрали.