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
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Центр образования «Технологии обучения» ().
- Школьный демонстрационный физический эксперимент ().
- Электротехника ().
Домашнее задание
- Стр. 108-110: вопросы № 1-5. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Как можно регулировать накал лампы с помощью реостата?
- Всегда ли при движении ползунка реостата вправо сопротивление будет уменьшаться?
- Чем обусловлено применение именно керамической трубы в реостате?
Устройство, с помощью которого происходит изменение сопротивления, называется реостатом. Он может состоять из набора резисторов, подключаемых ступенчато, либо иметь практически непрерывное изменение сопротивления. Существуют приборы позволяющие производить плавную регулировку без разрыва сети. Так как сила тока цепи зависит от напряжения источника и сопротивления, меняя количество подключенных секций реостата, можно косвенно влиять на все основные параметры электрического контура.
Назначение реостатов
По своему назначению реостаты делятся на следующие виды:
- пусковые, служащие для снижения пускового тока при запуске электродвигателя;
- пускорегулирующие, использующиеся преимущественно в двигателях постоянного тока, а также при переменном напряжении в случае асинхронного электродвигателя с фазным ротором;
- нагрузочные, создающие сопротивление в электрической цепи;
- балластные, необходимые для поглощения излишков энергии, возникающей например при торможении электродвигателя.
Реостаты применяются и для ограничения тока в обмотке возбуждения электрических машин постоянного тока. Благодаря этому получается добиться снижения скачков электрического тока и динамических перегрузок, способных повредить как сам привод, так и подключенный к нему механизм. Применение сопротивления при пуске продлевает срок службы щеток и коллектора.
Особым видом реостатов является потенциометр. Это делитель напряжения, в основании которого лежит переменный резистор. Благодаря ему в электронных схемах можно использовать различные напряжения, не используя дополнительные трансформаторы или блоки питания. Регулировка силы тока при помощи реостата широко используется в радиотехнике, например, для изменения громкости звучания динамика.
Принцип действия
Принцип действия всех реостатов схож. Наиболее простую конструкцию и визуально понятный принцип действия имеет ползунковый реостат. Подключение в цепь его происходит через нижнюю и верхнюю клеммы. Конструкция выполнена таким образом, что ток проходит не поперек витков, а через всю длину провода, выбранную ползунком. Это происходит благодаря надежной изоляции между проводниками.
В большинстве положений бегунка задействована лишь часть реостата. При этом изменение длины проводника приводит к регулированию силы тока в цепи. Для уменьшения износа витков ползунок имеет скользящий контакт, часто выполняемый из графитного стержня либо колесика.
Реостат имеет возможность работать в режиме потенциометра. Для этого, выполняя подключение, необходимо задействовать все три клеммы. Две нижние используются в качестве входа. Они подключаются к источнику напряжения. Верхняя и одна из нижних клемм являются выходом. При перемещении ползунка напряжение межу ними регулируется.
Реостат, используемый в качестве делителя напряжения
Помимо потенциометра возможен и балластный режим работы реостата, когда необходимо создать активную нагрузку для потребления энергии. При этом необходимо учитывать какие рассеивающие способности имеет аппарат. Избыточное тепло может вывести прибор из строя, поэтому рекомендуется производить включение реостата в сеть, предварительно выполнив расчет по рассеиваемой мощности и в случае необходимости обеспечить достаточное охлаждение.
Виды реостатов
Популярным видом реостатов, применяемых в промышленности и электротранспорте, например, трамваях, является устройство, выполненное в виде тора. Регулирование происходит при вращении ползунка вокруг своей оси. При этом он скользит по обмоткам, расположенным тороидально.
Реостат в виде тора меняет сопротивления практически не создавая разрыва в цепи. В полную противоположность ему выступает рычажный вид. Резисторы расположены на специальной раме, и их выбор происходит при помощи рычага. Любая коммутация сопровождается разрывом контура. Помимо этого в схемах с рычажным реостатом отсутствует возможность плавного регулирования сопротивления. Все переключения приводят к ступенчатым изменениям параметров сети. Дискретность шагов зависит от количества резисторов на раме и диапазона регулирования.
Как и рычажные, штепсельные реостаты регулируют сопротивление ступенчато. Отличительной особенностью является изменение параметров сети без разрыва цепи. При нахождении штепселя в перемычке, большая часть тока идет вне сопротивления. Количество возможных вариантов включения зависит от размера магазина. Вытаскиванием штепселя происходит перенаправление тока в резистор.
К специфичным видам можно отнести ламповые устройства и жидкостные реостаты. В связи с рядом недостатков данные приборы не нашли широкого распространения. Жидкостные реостаты можно встретить лишь в взрывоопасной среде, где они выполняют функции управления двигателем. Ламповые можно встретить в лабораториях и на уроках физики, так как их надежность и точность недостаточны для повсеместного использования.
Конструктивные особенности
По материалу изготовления разделяют реостаты:
- металлические, получившие наибольшее распространение;
- керамические, наиболее часто используемые при небольших мощностях;
- угольные, до сих пор используемые в промышленности;
- жидкостные, обеспечивающие максимально плавное регулирование.
Отвод тепла может быть как воздушным, так и водяным или масляным. Жидкостное охлаждение применяется при невозможности рассеять тепло с поверхности резистора. Для повышения теплоотдачи может использоваться радиатор с вентилятором.
Датчики, основанные на реостатах
Между положением ползунка реостата, его сопротивлением, силой тока в цепи и напряжением существуют прямые зависимости. Эти особенности лежат в основе датчика угла поворота. Каждому положению ротора в таком устройстве соответствует определенная электрическая величина.
Постепенно такие датчики вытесняются магнитными и оптическими аппаратами. Связанно это с тем что характеристика зависимости угла и сопротивления, помехонеустойчива от влияния температурного воздействия. Также свою долю в вытеснение реостатных датчиков вносит переход к цифровым системам. Резистивные измерители можно встретить только в схемах, использующих аналоговые сигналы.
Реостат печки отопления салона
Понять о том, что неисправен реостат печки отопления салона можно по следующим признакам:
- салон не прогревается, несмотря на то, что температура двигателя достигла номинала;
- печка не включается в одном или нескольких режимах;
- блок реостатов при прозвонке мультиметром показывает значения близкие к короткому замыканию либо обрыву.
Частой неисправностью реостата бывает выход из строя термопредохранителя. При этом печка может включаться только в одном из режимов. Менять полностью весь блок нет необходимости, достаточно перепаять новый предохранитель, с такими же номинальными параметрами.
Электрические реостаты нашли широкое применение в промышленности, технике и автомобилях. Сопротивления используются и для пуска электродвигателей, и в радиотехнике, и в качестве активной нагрузки. Выход из строя резистора способен сделать неработоспособной всю схему в которую он входит.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Реостатом называют электрическое устройство используемое для ограничения и регулировки тока или напряжения в электрической схеме.
По своему внутреннему устройству реостаты делятся на проволочные и не проволочные. Основной частью любого проволочного реостата является керамическая трубка, на которую намотана особая высокоомная проволока. На направляющем металлическом стержне закреплен ползунок, свободно передвигающийся вдоль проволоки, намотанной на керамие.
Итак, любой реостат состоит из нескольких основных частей:
Керамического цилиндра
Металлическая проволока - которая наматывется на трубку из керамики, концы проволоки выведены на контакты (зажимы), расположенные на противоположных концах трубки с обоих сторон;
Металлическая штанга - установлена чуть выше трубки, на одной стороне которой имеется контактная клемма;
Движущийся контакт - закреплен на штанге, который иногда называют ползун.
Реостат подсоединен в цепь через две зажимные клеммы: нижнюю непосредственно с обмотки и верхнюю клемму с движущегося контакта. При подключении реостата в электрическую цепь, ток от нижней клеммы течет по виткам из металлической проволоки, а затем проходит через скользящий контакт, затем по металлическому стержню и на верхний контакт.
Т.е, в схеме будет задействована только часть реостатной обмотки. В тот момент, когда ползунок двигается, изменяется сопротивление обмотки, т.к меняется ее длина, а соответственно сопротивление и сила тока в электрической цепи.
Необходимо отметить, что ток следует по каждому витку обмотки, а не поперек них. Это происходит потому, что витки обмотки изолированы друг от друга.
Так на рисунке А – движущийся контакт находится посередине. Поэтому ток будет протекать только через половину устройства. На позиции Б - токовый проводник используется полностью поетому, его длина максимальная, как и сопротивление, а в соответствии с сила тока снижается. На третьем рисунке все наоборот: снижается сопротивление, растут амперы.
На электрических схемах реостат обозначен следующим образом:
Реостат в схему включается всегда последовательно. При этом один из контактов подсоединен к ползуну, с помощью которого и регулируется количество ампер в цепи. Но необходимо добавить, что этот прибор можно применять и для регулировки напряжения. Здесь может быть применено несколько схем с одним или двумя сопротивлениями. Понятно, что чем меньше элементов в электрической цепочке, тем проще она.
Обычно этот электронный компонент включается в электрическую схему для регулирования величины тока, пример подключения показан на рисунке ниже.
При перемещении движка изменяется длина токопроводящего слоя, а следовательно, и величина сопротивления реостата, включаемого последовательно в схему, что в вызывает некоторое изменение величины силы тока в цепи и перераспределение напряжения между реостатом и нагрузкой.
Когда движок перемещается к контакту, величина сопротивления реостата сильно снижается,а ток в в цепи наоборот возрастает, тогда меньшая часть напряжения будет гасится на приборе и сильнее возрастет напряжение на подключенной к нагрузке.
Если движок перемещать к противоположному контакту, сопротивление реостата возрастает, а ток в цепи снижается, падение напряжение на реостате будет увеличиваться, а на нагрузке снижаться.
Расчет представленной выше схемы, аналогичен расчету гасящего сопротивления. Величина сопротивления реостата вычисляется по формуле:
R реост =U реост /I
Падение напряжения находится по формуле ниже:
U реост =U ист -U потр
У реостата имеется всего два вывода, а у его родственника , целых три. Поэтому больше не путайте их между собой.
Соберём цепь, изображённую на рисунке. Силу тока в цепи измеряют амперметром, напряжение - вольтметром. Зная напряжение на концах проводника и силу тока в нём, по закону Ома можно определить сопротивление каждого из проводников.
В цепь источника тока по очереди будем включать различные проводники, например, никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины. Выполнив указанные опыты, мы установим, что из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление.
В следующем эксперименте по очереди будем включать никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения). Установим, что из двух никелиновых проволок одинаковой длины большее сопротивление имеет проволока, поперечное сечение которой меньше.
В третьем эксперименте по очереди будем включать никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины. Установим, что никелиновая и нихромовая проволоки одинаковых размеров имеют разное сопротивление.
Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил:
Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.
Обрати внимание!
Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т.е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.
Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т.е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.
Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причём у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой - толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход её в другой сосуд по толстой трубке произойдёт гораздо быстрее, чем по тонкой, т.е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т.е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.
Причиной наличия сопротивления у проводника является взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решётки проводника. Из-за различия в строении кристаллической решётки у проводников, выполненных из различных веществ, сопротивления их отличаются друг от друга. Для характеристики материала вводят величину, которую называют удельным сопротивлением.
Удельное сопротивление - это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной \(1\) м и площадью поперечного сечения \(1\) м².
Введём буквенные обозначения: \(ρ\) - удельное сопротивление проводника, \(l\) - длина проводника, \(S\) - площадь его поперечного сечения. Тогда сопротивление проводника \(R\) выразится формулой:
R = ρ ι S .
Из этой формулы можно выразить и другие величины:
ι = RS ρ , S = ρ ι R , ρ = RS ι .
Из последней формулы можно определить единицу удельного сопротивления. Так как единицей сопротивления является \(1\) Ом, единицей площади поперечного сечения - \(1\) м², а единицей длины - \(1\) м, то единицей удельного сопротивления будет:
1 Ом ⋅ 1 м 2 1 м = 1 Ом ⋅ 1 м, т.е. Ом ⋅ м.
Удобнее выражать площадь поперечного сечения проводника в квадратных миллиметрах, так как она чаще всего бывает небольшой. Тогда единицей удельного сопротивления будет:
1 Ом ⋅ 1 мм 2 1 м, т.е. Ом ⋅ мм 2 м.
В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых веществ при \(20\) °С.
Обрати внимание!
Удельное сопротивление с изменением температуры меняется.
Опытным путём было установлено, что у металлов, например, удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.
Обрати внимание!
Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь - лучшие проводники электричества.
При проводке электрических цепей используют алюминиевые, медные и железные провода.
Во многих случаях нужны приборы, имеющие большое сопротивление. Их изготавливают из специально созданных сплавов - веществ с большим удельным сопротивлением. Например, как видно из таблицы, сплав нихром имеет удельное сопротивление почти в \(40\) раз большее, чем алюминий.
Обрати внимание!
Стекло и дерево имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток и являются изоляторами.
На практике часто приходится менять силу тока в цепи, делая её то больше, то меньше. Так, изменяя силу тока в динамике радиоприёмника, мы регулируем громкость звука. Изменением силы тока в электродвигателе швейной машины можно регулировать скорость его вращения.
Для регулирования силы тока в цепи применяют специальные приборы - реостаты.
Простейшим реостатом может служить проволока из материала с большим удельным сопротивлением, например, никелиновая или нихромовая. Включив такую проволочку в цепь источника электрического тока через контакты А и С и передвигая подвижный контакт С, можно уменьшать или увеличивать длину включённого в цепь участка АС. При этом будет меняться сопротивление цепи, а следовательно, и сила тока в ней, это покажет амперметр.
Реостатам, применяемым на практике, придают более удобную и компактную форму. Для этой цели используют проволоку с большим удельным сопротивлением. Один из реостатов (ползунковый реостат) изображён на рисунке.
В этом реостате никелиновая проволока намотана на керамический цилиндр. Проволока покрыта тонким слоем не проводящей ток окалины, поэтому витки её изолированы друг от друга. Над обмоткой расположен металлический стержень, по которому может перемещаться ползунок. Своими контактами он прижат к виткам обмотки. От трения ползунка о витки слой окалины под его контактами стирается, и электрический ток в цепи проходит от витков проволоки к ползунку, а через него в стержень, имеющий на конце зажим \(1\). С помощью этого зажима и зажима \(2\), соединённого с одним из концов обмотки и расположенного на корпусе реостата, реостат подсоединяют в цепь. Перемещая ползунок по стержню, можно увеличивать или уменьшать сопротивление реостата, включённого в цепь.
Электрические сети зациклены на передаче электроэнергии от источника к потребителю, которые являются основными элементами цепочки. Но кроме них в электрическую цепь вставляются и другие составляющие, к примеру, управляющие элементы, к которым относится реостат или любой другой прибор с таким же принципом действия. Устройство реостата – это проводник определенного сечения и длины, через которые можно узнать сопротивление проводника. Конечно, обговаривается и его материал. Изменяя сопротивление прибора, а, точнее, проводника, можно регулировать величину силы тока и напряжения в сети. Итак, реостат – это прибор, регулирующий напряжение и ток.
Устройство и принцип работы
Если рассматривать реостатную конструкцию, то необходимо отметить несколько основных его частей:
- это трубка из керамики;
- на нее намотана металлическая проволока, концы которой выведены на контакты, расположенные на противоположных концах керамической трубки;
- выше трубки установлена металлическая штанга, на одной стороне которой установлен контакт;
- на штанге закреплен движущийся контакт, который электрики называют ползун.
Теперь, как все это работает. Обратите внимание на рисунок ниже.
Первая позиция (а) – контакт (движущийся) посередине. Это говорит о том, что ток будет проходить только через половину прибора. Вторая позиция (б) говорит о том, что задействован проводник полностью. То есть, его длина максимальная, значит, и сопротивление максимальное, при этом сила тока уменьшилась. Понятно, что чем больше сопротивление, тем меньше сила тока. Третья позиция (в) – здесь все наоборот: снижается сопротивление, увеличивается сила тока.
Хотелось бы обратить ваше внимание на то, что керамическая трубка, используемая в реостатной конструкции, полая. Это необходимая составляющая, которая позволяет прибору охлаждаться при прохождении через проводник электроэнергии. Добавим: считается, что самые безопасные реостаты – это те, которые закрыты кожухом.
Как включается реостат в цепь
Во-первых, этот прибор в электрическую цепь включается только последовательно. Во-вторых, один из контактов подключается к ползуну, с помощью которого и регулируется величина тока в цепи. Но необходимо отметить, что этот управляющий элемент можно использовать и для регулировки напряжения в электрической цепочке. Здесь может быть использовано несколько схем с одним сопротивлением или двумя. Понятно, что чем меньше элементов в электрической цепочке, тем проще она.
Реостаты – это универсальные приборы. Их сегодня используют не только для управления силой тока и напряжением. К примеру, в телевизорах они установлены для увеличения или уменьшения звука. Да и переключение каналов косвенно связано с ними же.
И еще один момент. В электрических схемах обозначение этих приборов вот такое:
или такое
На первом рисунке более подробно расписана схема подключения, где красный прямоугольник – это и есть проводник, накрученный на керамическую основу. Синяя линия – это контакт, через который подводится питающий провод. Зеленная стрелка – это ползун. Она направлена влево, что говорит о том, что перемещая ползунок влево, мы уменьшаем сопротивление проводника. И, наоборот, перемещаем контакт вправо, увеличиваем сопротивление.
Рисунок второй более упрощенный. На нем всего лишь прямоугольник, показывающий наличие сопротивления, и стрелка, которая показывает, что этот показатель можно изменять.
Конечно, вся эта информация касается простейших элементов. Но необходимо отметить, что реостаты могут быть разными, все зависит от того места, куда они должны быть установлены. Есть различия и по токопроводящему материалу, который лежит в основе. К примеру, это может быть уголь, металлы, жидкости и керамика. К тому же процесс охлаждения производится воздушным путем или при помощи жидкостей, и это может быть не только вода.