Реостаты | 8 класс | Физика

Содержание

Когда мы собираем электрическую цепь и замыкаем ее, возникает электрический ток. Его характеризует величина, называемая силой тока. При последовательном соединении элементов она будет одинакова на всех участках цепи ($I = I_1 = I_2 = … = I_n$), а при параллельном — разветвляться ($I = I_1 + I_2 + … + I_n$). Но мы не можем изменить величину силы тока в цепи или на ее участке, не поменяв проводники или источник тока.

Тем не менее при проведении экспериментов было бы удобно иметь возможность изменять силу тока в цепи и следить за изменениями, которые при этом будут происходить. Также это удобно в различных электрических приборах и устройствах. Например, регулируя громкость звука аудиоустройств, мы меняем силу тока в их динамиках. Изменяя силу тока в электродвигателе швейной машинки, мы можем регулировать скорость его вращения.

В большинстве случаев для изменения силы тока в цепи используется специальный прибор — реостат. Именно об этом приборе мы и поговорим на данном уроке. Мы рассмотрим его устройство и действие, правила подключения в цепь.

Устройство простейшего реостата

Чтобы понять принцип работы любого реостата, рассмотрим самый простейший из них.

Для этого возьмем проволоку с достаточно большим удельным сопротивлением (например, нихромовую). Подключим ее последовательно в цепь, состоящую из источника тока, ключа и амперметра. Сделаем это, используя контакты A и B (рисунок 1).

Рисунок 1. Простейший реостат — проволока с большим удельным сопротивлением

Мы можем передвигать один из контактов — B. С помощью него мы можем изменять длину включенного в цепь участка проволоки AB. Другой участок проволоки при этом включен в цепь не будет.

При изменении длины участка AB будет изменяться сопротивление всей цепи. Каким образом?

Изменяя длину включенного в цепь участка проволоки, мы изменяем его сопротивление ($R = \frac{\rho l}{S}$). Будет изменяться и общее сопротивление цепи, а следовательно, и сила тока в ней.

{"questions":[{"content":"Действие реостата основано на изменении[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["длины проводника, включенного в цепь","поперечного сечения проводника, включенного в цепь","типа соединения элементов в цепи"],"explanations":["Изменяя длину проводника, мы изменяем его сопротивление,  а также общее сопротивление цепи. Из-за этого изменяется и сила тока.","",""],"answer":[0]}}}]}

Ползунковый реостат

Те реостаты, которые применяются на практике, имеют более удобную и компактную форму. Они также содержат в своей основе проволоку с большим удельным сопротивлением. 

Почему в реостатах используют проволоку с большим сопротивлением?
Взглянем еще раз на формулу для расчета сопротивления проводника: $R = \frac{\rho l}{S}$. Если у нас будет проводник с малым удельным сопротивлением, то он должен быть очень длинным. Это не всегда удобно при изготовлении реостатов.

При проведении лабораторных работ вы чаще всего будете использовать ползунковый реостат (рисунок 2).

Рисунок 2. Ползунковый реостат

Как устроен ползунковый реостат?
В этом реостате стальная проволока 1 намотана на керамический цилиндр. То есть сам цилиндр проводить ток не будет, так как он сделан из диэлектрика. Сама проволока тоже покрыта диэлектриком — окалиной. Это сделано для того, чтобы витки были изолированы друг от друга.

Над такой обмоткой расположен металлический стержень 2. К нему крепится ползунок 3, который своими контактами 4 прижат к обмотке. Этот ползунок мы можем передвигать.

Когда мы его передвигаем, слой окалины на проволоке стирается, и ток проходит через ползунок и металлический стержень.

Реостат имеет две клеммы. Одна находится на конце металлического стержня (клемма 5), а вторая соединена с одним из концов обмотки и расположена на корпусе реостата (клемма 6). С помощью этих клемм реостат включают в цепь.

{"questions":[{"content":"Какой элемент реостата мы можем передвигать?[[choice-8]]","widgets":{"choice-8":{"type":"choice","options":["Обмотку","Ползунок","металлический стержень","окалину"],"answer":[1]}}}]}

Использование реостата

При перемещении ползунка по стержню будет изменяться сопротивление всего реостата. То есть ползунок дает нам возможность увеличивать или уменьшать сопротивление цепи. Изменяя сопротивление, мы будем изменять и силу тока в цепи.

Передвигая ползунок и сокращая длину включенной в цепь обмотки, мы увеличим силу тока в цепи ($I = \frac{U}{R}$). Передвигая ползунок в другую сторону, мы увеличим длину подключенной обмотки и, наоборот, уменьшим силу тока.

Каждый реостат рассчитан на определенное сопротивление и на наибольшую допустимую силу тока. Эти значения указываются на самом приборе.

Превышать максимально допустимое значение силы тока не рекомендуется. Обмотка может очень сильно нагреться, иногда даже раскалиться. В такой ситуации реостат может перегореть — выйти из строя.

Как на схемах электрических цепей изображают реостат?
Реостаты имеют свой условный знак для обозначения на схемах электрической цепи (рисунок 3). Это обозначение ясно дает понять, в какую сторону нужно передвигать ползунок реостата, чтобы увеличить сопротивление в цепи (вправо).

Рисунок 3. Условный знак для обозначения ползункового реостата на схеме электрической цепи

Реже вы можете встретить другое обозначение реостата (рисунок 4).

Рисунок 4. Дополнительный условный знак для обозначения реостата на схеме электрической цепи

{"questions":[{"content":"В какую сторону нужно передвинуть ползунок реостата, изображенного на рисунке 3, чтобы уменьшить силу тока в цепи?[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["В правую","В левую","В любую"],"explanations":["Если мы передвинем ползунок вправо, то увеличим сопротивление.  При этом сила тока в цепи уменьшится.","",""],"answer":[0]}}}]}

Подключение реостата в электрическую цепь

Реостат включается в электрическую цепь последовательно. Пример такой цепи с подсоединенным реостатом изображен на схеме (рисунок 5).

Рисунок 5. Подключение реостата в электрическую цепь

Зажимы 1 и 2 подключаются к источнику тока. Им может быть как аккумулятор или гальванический элемент, так и розетка.

Если мы увеличим сопротивление реостата, то накал лампочки (на рисунке 4) уменьшится. Значит, сила тока тоже уменьшится. И, наоборот, при уменьшении сопротивления реостата лампочка будет гореть ярче. 

Такой способ довольно часто используют в выключателях для регулировки интенсивности освещения.

{"questions":[{"content":"Реостат включается в электрическую цепь[[choice-16]]","widgets":{"choice-16":{"type":"choice","options":["последовательно","параллельно","любым способом"],"answer":[0]}}}]}

Путь тока по реостату, включенному в цепь

На рисунке 6 показан путь тока по реостату, если клеммы 1 и 2 подключены в цепь. Электрический ток проходит по обмотке реостата, потом через скользящий контакт ползунка он проходит по металлическому стержню и снова попадает в электрическую цепь.

Рисунок 6. Путь тока по реостату

Упражнения

Упражнение №1

На рисунке 7 изображен реостат, с помощью которого можно менять сопротивление в цепи не плавно, а ступенями — скачками. Рассмотрите рисунок и по нему опишите, как действует такой реостат.

Рисунок 7. Рычажный реостат

Такой реостат называется рычажным. В нижней его части расположен специальный рычаг, с помощью которого можно включать в цепь разное количество проводников (спиралей), соединенных последовательно друг с другом. От количества включенных в цепь спиралей будет зависеть их суммарное сопротивление и, следовательно, сила тока в цепи.

Упражнение №2

Если каждая спираль реостата (рисунок 7) имеет сопротивление, равное $3 \space Ом$, то какое сопротивление будет введено в цепь при положении переключателя, изображенном на рисунке? Куда надо поставить переключатель, чтобы с помощью этого реостата увеличить сопротивление цепи еще на $18 \space Ом$?

Спирали (проводники) соединены последовательно. Значит, суммарное сопротивление будет рассчитывать по формуле: $R = R_1 + R_2 + … + R_n$.

Посмотрим, сколько проводников включены в цепь при положении рычага на рисунке 7. В цепь включены 4 спирали (рисунок 8).

Рисунок 8. Ход тока по спиралям рычажного реостата, включенным в цепь

Так как сопротивление каждой спирали равно $3 \space Ом$, мы можем записать:
$R = 3 \space Ом + 3 \space Ом + 3 \space Ом + 3 \space Ом = 3 \space Ом \cdot 4 = 12 \space Ом$.
Значит, в цепь будет введено сопротивление, равное $12 \space Ом$.

Чтобы ответить на второй вопрос, определим количество спиралей, которые дадут сопротивление в $18 \space Ом$:
$n = \frac{R}{R_1} = \frac{18 \space Ом}{3 \space Ом} = 6$.

Посмотрим на рисунок 7 или 8. Чтобы включить в цепь еще 6 спиралей, нужно передвинуть рычаг в крайнее правое положение (рисунок 9).

Рисунок 9. Искомое положение рычага реостата

Упражнение №3

В цепь включены: источник тока, ключ, электрическая лампа и ползунковый реостат. 2}{м}} = \frac{60 \space м}{0.4} = 150 \space м$.

Получается, что для изготовления реостата на $20 \space Ом$ потребуется $150 \space м$ никелиновой проволоки.

Ответ: $l = 150 \space м$.

§ 8. Использование резисторов для регулирования тока в электрической цепи

Резисторы. Закон Ома наглядно показывает, что силу тока в электрической цепи можно изменять, включая в нее различные сопротивления. Этим свойством широко пользуются на практике для регулирования и ограничения тока в обмотках двигателей, генераторов и других электрических потребителях. Электрический аппарат, предназначенный для включения в электрическую цепь с целью регулирования или ограничения проходящего по ней тока, называют резистором. Резисторы бывают с постоянным или регулируемым сопротивлением. Последние иногда называют реостатами.
Резисторы обычно изготовляют из проволоки или ленты, материалом для которых служат сплавы металлов, обладающие высоким удельным сопротивлением (константан, никелин, манганин, фехраль). Это дает возможность для изготовления резисторов применять проволоку наименьшей длины. В электрических цепях, по которым проходят сравнительно небольшие токи (например, в цепях управления, в устройствах электроники и радиотехники), часто применяют непроволочные резисторы, выполненные из графита и других материалов.


Устройство реостатов. Реостаты могут выполняться с плавным или ступенчатым изменением сопротивления. В лабораториях для управления электрическими машинами и испытательными устройствами часто используют ползунковый реостат с плавным изменением сопротивления (рис. 16, а). Такой реостат состоит из изоляционной трубки 4, на которую навита проволочная спираль 5. К виткам этой спирали прикасается подвижной контакт 2. Зажим 1 реостата соединяется с подвижным контактом, другой зажим 3 — с одним из концов спирали. Перемещая подвижной контакт, можно изменять длину проволоки, расположенной между зажимами реостата, и тем самым изменять его сопротивление.

Для пуска и регулирования электрических двигателей станков, грузоподъемных механизмов и пр. применяют ползунковый реостат со ступенчатым изменением сопротивления (рис. 16, б). Реостат состоит из ряда одинаковых сопротивлений 9 (секций), присоединенных к контактам 8. Для включения в цепь того или иного числа секций служит ползунок 7 со штурвалом 6.
Для регулирования тока при пуске тяговых двигателей электрических локомотивов постоянного тока применяют реостаты со ступенчатым изменением сопротивления (пусковые реостаты). Отдельные секции реостата в процессе пуска замыкаются накоротко дистанционно управляемыми выключателями, называемыми контакторами.
На некоторых электровозах (например, электровозах ЧС) пусковые реостаты выполнены из чугунных литых пластин 10 особой формы, напоминающей зигзагообразно уложенную ленту. Отдельные пластины собирают на изолированных шпильках и прикрепляют к основанию 11 (рис. 16, в).

Рис. 16. Устройство реостатов: а — с плавным изменением сопротивления; б — со ступенчатым изменением сопротивления; в — из чугунных пластин; г — из фехралевой ленты

В последнее время пусковые реостаты электровозов и моторных вагонов выполняют из фехралевой ленты 12, намотанной на фарфоровые изоляторы 13 (рис.

16, г). Так же устроены и реостаты, служащие для регулирования тока возбуждения тяговых двигателей на электровозах и тепловозах. Реостаты из фехралевой ленты более

Рис. 17. Схема последовательного включения реостата в цепь приемника электрической энергии

Рис. 18. Схема включения реостата в качестве делителя напряжения

прочны, более устойчивы против тряски и вибраций и имеют меньшую массу, чем реостаты, выполненные из чугунных пластин.
Схемы включения реостатов.

Реостат 2 (рис. 17) может быть включен последовательно в цепь между источником 1 и приемником 4 электрической энергии. В этом случае при изменении сопротивления реостата, т. е. при перемещении подвижного контакта 3, изменяется сила тока в приемнике. Этот ток проходит только по части сопротивления реостата.
Однако реостат можно включать в цепь таким образом, чтобы ток проходил по всему его сопротивлению, а к приемнику ответвлялась только часть тока источника. В этом случае два крайних зажима 2 и 4 реостата (рис. 18) подключают к источнику 5, а один из этих зажимов, например 4, и подвижной контакт 3 реостата — к приемнику 1. Очевидно, что при таком включении к приемнику будет подаваться напряжение U, равное падению напряжения между зажимом 4 и подвижным контактом 3 реостата. Следовательно, передвигая подвижной контакт реостата, можно изменять напряжение U, подводимое к приемнику, и силу тока в нем. Напряжение U представляет собой только часть напряжения Uи на зажимах источника.
Реостат, включенный по схеме рис. 18, называется делителем напряжения, или потенциометром.

Реостат применяют в электрической цепиДля изменения сопротивления цепиДля изменения разности потенциаловДля изменения ЭДСДля изменения тока через тот или иной прибор.

Ответить

Проверено

209.7k+ просмотров

Подсказка: Эта задача может быть решена знанием простой схемы. Сопротивление противодействует потоку заряда и представляет собой отношение разности потенциалов и тока внутри объема проводника.


Реостат меняет сопротивление
Таким образом, сопротивление зависит от
Длина провода \[\left( l \right)\]
Площадь поперечного сечения проводника \[\left( A \right)\]

$R = \rho \frac{l }{A}$
Связь между сопротивлением \[\left( R \right)\], током \[\left( I \right)\] и разностью потенциалов \[\left( V \right)\]
$V = IR$
Здесь \[V = \] Разность потенциалов на конце устройства
\[I = \] Ток, протекающий через объем проводника
\[R = \] Сопротивление проводника


Связь сопротивления с тепловой энергией \ [\left( H \right)\] [закон Джоуля] 92}Rt$

Полный пошаговый ответ:
Сначала давайте нарисуем схему, чтобы лучше понять проблему.

Условное обозначение реостатов
 

Реостат состоит из множества катушек. Каждая катушка имеет сопротивление. Нет проблемы положительной клеммы или отрицательной клеммы.
Клеммы A и B используются для подключения входа, обозначающего точку входа тока.