Работа 1. ВЫБОР РЕОСТАТА И ПОТЕНЦИОМЕТРА

Цель работы: рассчитать и выбрать реостат для регулировки тока и напряжения на низкоомном потребителе (часть 1); рассчитать и выбрать потенциометр для регулировки напряжения на высокоомном потребителе (часть 2).

Принадлежности: источник тока, вольтметры, амперметры, реостаты, низкоомные резисторы и лампочки накаливания, высокоомные резисторы.

Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы

1. Что такое потребители тока?

2. Что означают термины: номинальный ток, номинальное напряжение, номинальная мощность?

3. Что называется сопротивлением?

4. В каких случаях применяются потенциометр и реостат?

5. Как устроен реостат? Как правильно подобрать реостат для регулировки напряжения и тока в цепи?

6. Как подключается реостат в цепь?

7. Какие параметры приводятся на реостате?

8. Опишите, как протекает ток через электрическую лампу. Из чего складывается сопротивление лампы? Чем определяется ее яркость? Как рассчитать мощность электрической лампы?

9. Сформулируйте закон Ома для участка цепи.

10. Как правильно выбрать реостат? Что нужно учесть?

11. Что такое рассчитать реостат?

12. Как выбирают электроизмерительные приборы (амперметры, вольтметры) при проведении измерений?

13. Расскажите ход выполнения работы.

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

Рис. 1.

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 .

С

а) б)

Рис.2.

ледует 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 может не 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.