Как найти длину проводника в реостате

Для рассмотрения характеристик электрических параметров рассмотрим назначение приборов:

1. сила тока в цепи определяется амперметров, который подключается последовательно с соблюдением полярности;
2. напряжение на участке цепи измеряется вольтметром, который подключается параллельно к тому участку или прибору, на котором нужно узнать разность потенциалов или напряжения;
3. на деревянной изолирующей подставке — устройство, имеющее провода с различными значениями сопротивления;
4. значение тока можно регулировать реостатом.

Рис. (1). Цепь с возможностью выбора проводника

Определим физические параметры (величины), влияющие на значение сопротивления проводника.

Эксперимент (1). Физическая величина — длина (прямая пропорциональность).

Эксперимент (2). Физическая величина — площадь поперечного сечения (обратная пропорциональность).

Эксперимент (3). Материал проводника, физическая величина — удельное сопротивление проводника (прямая пропорциональность).

Примечание: «эксперимент» следует понимать как включение в электрическую цепь проводников с конкретными одинаковыми и различающимися физическими параметрами и сравнение значений сопротивлений данных проводников.

Впервые зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, и от длины проводника обнаружил немецкий физик Георг Ом. Он установил:

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.

Удельное сопротивление проводника зависит от строения вещества. Электроны при движении внутри металлов взаимодействуют с атомами (ионами), находящимися в узлах кристаллической решётки. Чем выше температура вещества, тем сильнее колеблются атомы и тем больше удельное сопротивление проводников.

В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых веществ при (20) °С.

При проводке электрических цепей, например, в квартирах не используют серебро, т.к. это дорого. Зато используют медь и алюминий, так как эти вещества обладают малым удельным сопротивлением.
Порой необходимы приборы, сопротивление которых должно быть большим. В этом случаем необходимо использовать вещество или сплав с большим удельным сопротивлением. Например, нихром.

Полиэтилен, дерево, стекло и многие другие материалы отличаются очень большим удельным сопротивлением. Поэтому они не проводят электрический ток. Такие материалы называют диэлектриками или изоляторами.

Очень часто нам приходится изменять силу тока в цепи. Иногда мы ее увеличиваем, иногда уменьшаем. Водитель трамвая или троллейбуса изменяет силу тока в электродвигателе, тем самым увеличивая или уменьшая скорость транспорта. 

Реостат на рисунке состоит из провода с большим удельным сопротивлением (никелин, нихром), по которому передвигается подвижный контакт (C) по длине провода, плавно изменяя сопротивление реостата. Сопротивление такого реостата пропорционально длине провода между подвижным контактом (C) и неподвижным (A). Чем длиннее провод, тем больше сопротивление участка цепи и меньше сила тока. С помощью вольтметра и амперметра можно проследить эту зависимость.

Рис. (2). Реостат с подвижным контактом

На школьных лабораторных занятиях используют переменное сопротивление — ползунковый реостат.

Рис. (3). Ползунковый реостат

Он состоит из изолирующего керамического цилиндра, на который намотан провод с большим удельным сопротивлением. Витки проволоки должны быть изолированы друг от друга, поэтому либо проволоку обрабатывают графитом, либо оставляют на проволоке слой окалины. Сверху над проволочной обмоткой закреплен металлический стержень, по которому  перемещается ползунок. Контакты ползунка плотно прижаты в виткам и при движении изолирующий слой графиты или окалины стирается, и тогда электрический ток может проходить от витков проволоки к ползунку, через него подводиться к стержню, имеющему на конце зажим (1).

Для соединения реостата в цепь используют зажим (1) и зажим (2). Ток, поступая через зажим (2), идёт по никелиновой проволоке и через ползунок подаётся на зажим (1). Перемещая ползунок от (2) к (1), можно увеличивать длину провода, в котором течёт ток, а значит, и сопротивление реостата.

Как и любой электрический прибор, реостат имеет допустимое значение силы тока, свыше которого прибор может перегореть. Маркировка реостата содержит диапазон его сопротивления и максимальное допустимое значение силы тока.

Существуют реостаты, в которых переключатель подключается на проводники заданной длины и сопротивления: каждая спираль реостата имеет определённое сопротивление. Поэтому плавно изменять силу тока с помощью такого прибора не получится.

Рис. (4). Реостат с переключением

Привет! Сегодня разберём, от каких параметров зависит сопротивление проводника.

Электрическое сопротивление — это способность сопротивляться электрическому току (упорядоченному движению заряженных частиц).

От чего же зависит сопротивление ?

Сопротивление проводника зависит от материала. Разные материалы по-разному способны проводить электрический ток. Например, проводник из меди или серебра имеет меньшее сопротивление, по сравнению с проводником из железа или свинца при прочих равных условиях.

Так же сопротивление зависит от длины проводника. Чем больше длина проводника (провода), тем больше электрические заряды будут сталкиваться ионами кристаллической решёткой этого проводника.

Так же сопротивление проводника зависит от площади поперечного сечения. Чем больше площадь поперечного сечения, тем легче электрическим зарядам течь по проводнику.

Все три вышеперечисленные параметры образуют формулу сопротивления проводника.

Обозначения в формуле: ρ ((Ом ⋅ мм²)/м) — удельное сопротивление проводника, l (м) — длина проводника, S (мм²) — площадь поперечного сечения проводника.

Как мы говорили в этой статье, электрическое сопротивление измеряется в омах.

Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

Обратите внимание: Площадь поперечного сечения S в данной формуле измеряется не в системе СИ, а в мм².

Удельное сопротивление обычно можно посмотреть в таблице.

Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20°)

Удельное сопротивление зависит от температуры. У металлов с повышением температуры удельное сопротивление увеличивается.

Задачи

Задача (Решаем по формуле)

Рассчитайте сопротивление медного контактного провода, используемого для трамвайного двигателя, если длина провода равна 2 км, а площадь поперечного сечения — 0,65 см².

Задача (Длина проволоки реостата)

Сопротивление реостата 18 Ом. Он изготовлен из никелиновой проволоки. Определите длину проволоки, если её площадь поперечного сечения равна 0,4 мм².

Задача (Две проволоки)

Какой площади поперечного сечения нужно взять железную проволоку длиной 20 м, чтобы её сопротивление было такое же, как у никелиновой проволоки площадью поперечного сечения 0,1 мм² и длиной 2 м ?

Задача (Крепкий орешек)

Масса 500 м контактного медного провода составляет 445 кг. Найдите сопротивление этого провода.

Физика – Задачи на линзы

Муниципальное
бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя
общеобразовательная школа № 2 п.г.т. Актюбинский»

Азнакаевского
муниципального района Республики Татарстан

Тема
проекта:

«Определение
материала провода  реостата»

Исследовательский
 проект по физике

Выполнили:
Хусаинова И., Синица П.

                                                                            ученицы
8А класса. МБОУ

                                                                  «СОШ
№2 п.г.т. Актюбинский»

                                Руководитель
проекта:  Хисматова  М.С., учитель физики                          

                                               
Азнакаево, 2015 год

Содержание

1.Введение

   1.1.Актуальность

2. Теоретическая часть

3.Практическая часть

4.Вывод

Список литературы

1.Введение

1.1.Актуальность

       На практике часто бывает необходимо регулировать силу тока
в цепи. Водитель трамвая или троллейбуса, трогая машину с места, должен
постепенно увеличивать силу тока в электродвигателе, иначе получится сильный
рывок. Свет в зале театра или кинотеатре гаснет постепенно. Изменяют силу тока
в динамике радиоприемника, регулируя громкость. Скорость вращения вала
электродвигателя швейной машины также изменяется при изменении силы тока. Для
уменьшения или увеличения силы тока служат приборы называемые реостатами. Простейшим
реостатом может служить простая проволока с очень большим удельным
сопротивлением.

      При помощи подвижного контакта можно уменьшать или
увеличивать длину включенного в цепь участка проволоки, тем самым, изменяя
сопротивление цепи, а значит и силу тока в ней. Устройство для регулирования и
ограничения силы тока в электрической цепи называют реостатом.

      
При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность
потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием
электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении
электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей
кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при
столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она
уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова
уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике
устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких
долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику,
всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении
электрического тока через проводник последний нагревается.

Предмет исследования:
провод реостата.

Цель работы: вычислить
удельное сопротивление провода реостата, определить название металла.

Проблема: определить
материал, из которого сделан провод реостата косвенным путем.

Оборудование: 
реостат, линейка, иголка, микрометр.

Задачи:

1.     Подсчитать
количество витков провода.

2.     Узнать
диаметр провода реостата.

3.     Узнать
длину одного витка провода.

4.     Найти
длину всего провода.

5.     Рассчитать
площадь поперечного сечения.

6.     Найти
удельное сопротивление провода.

2.Теоретическая
часть

       Электрическим
сопротивлением проводника,  которое обозначается латинской буквой r ,
называется свойство тела или среды  , превращать электрическую энергию в
тепловую при прохождении по нему электрического тока.

На схемах электрическое
сопротивление обозначается так, как показано на рисунке 1, а.

Рисунок 1. Условное обозначение электрического сопротивления

Переменное
электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом.
На схемах реостаты обозначаются как показано на рисунке 1, б. В общем
виде реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления,
намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в
определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.

Длинный проводник
малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие
проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой
длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает,
что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.

Температура проводника также оказывает влияние на его
сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а
сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные
металлические сплавы (манганин, константан, никелин и другие) с увеличением
температуры своего сопротивления почти не меняют.

Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит
от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала
проводника, 4) температуры проводника.

За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается
греческой прописной буквой Ω (омега).

При сравнении сопротивления проводников из различных материалов
необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы
сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.

Удельное электрическое
сопротивление

Сопротивление в омах
проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением и
обозначается греческой буквой ρ (ро).

В таблице 1 даны
удельные сопротивления некоторых проводников.

Таблица
1

Удельные сопротивления
различных проводников.

Материал проводника	Удельное сопротивление ρв
Серебро Медь Алюминий Вольфрам Железо Свинец Никелин (сплав меди, никеля и цинка)	0,016 0,0175 0,03 0,05 0,13 0,2 0,42

3.Практическая
 часть

Нам дан реостат
сопротивлением 6(Ом) . Воспользуемся формулой:

L – длина  намотки
провода(м)         

удельное
сопротивление

S – площадь поперечного сечения

R – Cопротивление
проводника  (Ом)

                                                  
3.1.Ход
работы:

•      Считаем
количество витков.

•      Линейкой
измеряем длину намотки провода.

•      Используя  количество витков и длину 
намотки провода, находим диаметр провода по формуле:

L-длина намотки провода (91.5мм)

N-количество
витков(126 шт.)

d-диаметр провода(мм)

•      Измеряем
микрометром диаметр наружной намотки реостата(D).

D=19 мм

           Диаметр одного витка
провода.
r–   радиус
толщины провода.
d–  диаметр
провода .
D– диаметр
наружной намотки реостата.

•      Теперь
находим длину одного витка провода по формуле:

C – длина одного
витка провода(мм)

         диаметр одного витка
провода(мм)

r –  радиус одного витка провода(мм)

        число
пи(3.14)

•      А сейчас найдем длину всего провода,
умножив количество витков на длину одного витка:

L –длина
всего провода(м)

 С  –   длина одного витка
провода(мм)

N –количество витков

•      Находим
площадь поперечного сечения    по формуле:       

S – площадь поперечного сечения
(      )

R – радиус провода(мм)

•     
Теперь вычисляем удельное сопротивление и узнаем ,

из
какого материала сделан провод реостата по формуле:

         удельное
сопротивление

          
сопротивление реостата(Ом) 

           площадь поперечного
сечения(         )

           длина проводника(м)

4.Вывод:

       
Определен металл из которого сделан провод реостата. В ходе работы мы смогли
определить диаметр провода и длину одного витка провода, по формулам рассчитали
длину провода, площадь поперечного сечения и  его удельное сопротивление, а
также узнали, что провод нашего школьного реостата изготовлен из никелина. В работе применялся косвенный метод
измерений. Стало ясно, что проведение измерений было невозможно без прочных
математических знаний.

Cписок
литературы:

1.Физика 8 класс.Перышкин А.В. Москва.Дрофа,
2008 г.

2.Азбука физики. Горбушин Ш.А. Ижевск.
«Удмуртия».1992 г.

3.Учимся радиоэлектронике. Головин
П.П.Ульяновск. РИЦ «Реклама».1999 г.

4. http://festival.1september.ru/articles/551939/

5.http://www.eti.su/articles/visokovoltnaya-tehnika/visokovoltnaya-tehnika_633.html

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).

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.

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).

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.

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).

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

Подключение реостата в электрическую цепь

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

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.

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.

Упражнения

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.

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).

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).

Схема такой цепи изображена на рисунке 10.

Чтобы лампа светилась ярче, нужно увеличить силу тока в цепи. А для этого нужно уменьшить сопротивление ($I = frac{U}{R}$). Для этого необходимо передвинуть ползунок реостата влево. Так мы уменьшим длину включенной в цепь обмотки, что и приведет к уменьшению сопротивления ($R = frac{rho l}{S}$).

Дано:
$R = 20 space Ом$
$S = 3 space мм^2$
$rho = 0.4 frac{Ом cdot мм^2}{м}$

$l — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть