Как найти напряжение на реостате в цепи

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

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

Расчет реостатов.

Для
изменения силы тока в электрической
цепи в нее можно включить реостат. Он
включается в электрическую цепь
последовательно и гасит «лишнее»
напряжение в ней.

Рассмотрим
задачу: «В
сети напряжение 220 В. Имеется электрическая
лампа с параметрами: U=127В,
P=100Вт.
Рассчитать, какой реостат необходимо
взять, чтобы при включении в данную
сеть лампа горела полным накалом?».

Решение.

Реостатом
необходимо погасить «лишнее» напряжение.

U_реост
=220 В- 127 В = 93 В., т.е. 93 В. должны
приходиться на реостат.

Ток
на реостате будет определяться нагрузкой
(лампой). Его можно найти по формуле
I=P/U_л
, где U_л=127В,
а
P=100Вт.

Таким
образом, I=100Вт/127
В=0,8А – ток через лампу (на реостате).

Сопротивление
реостата можно найти из закона Ома для
участка цепи: R=U_реост./
I;

Таким
образом R=93В/
0,8А=120 Ом.

Вывод:
реостат должен иметь сопротивление не
менее 120 Ом и рассчитан на ток не менее
0,8 А.

Таким
образам, реостат необходимо выбирать
по двум параметрам (по силе тока и
сопротивлению, которые указываются на
самих реостатах, а также в их паспортах).

Техника безопасности.

1. Прежде,
   чем включать электроизмерительный
   прибор в электрическую цепь, необходимо
   посмотреть цену деления прибора,
   максимальный ток и напряжение на которые
   он рассчитан.

2. Не
   включать амперметр без шунта и вольтметр
   без добавочного сопротивления в
   электрическую цепь.

3. Не
   подключать собранную электрическую
   цепь к источнику тока без проверки
   схемы преподавателем!!!

Практическая часть работы.

1. Проверьте
   комплектность демонстрационного
   амперметра и вольтметра (наличие шунтов,
   добавочных сопротивлений и съёмных
   шкал). Запишите:

____________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________

1. Подготовьте
   демонстрационный амперметр для измерения
   постоянного тока 1 А и демонстрационный
   вольтметр для измерения постоянного
   напряжения 3 В. Пригласите преподавателя
   для проверки.

2. Подготовьте
   демонстрационный вольтметр для измерения
   переменного тока 6А и демонстрационный
   вольтметр для измерения переменного
   напряжения 7 В. Пригласите преподавателя
   для проверки.

3. Рассчитайте,
   какой реостат необходимо взять для
   того, чтобы лампу на 3,5 В можно было бы
   включить в цепь с источником постоянного
   напряжения на 6В. Выберите этот реостат
   из предложенных вам.

Расчет
реостата.

____________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________

1. Соберите
   последовательно электрическую цепь,
   состоящую из источника питания(выпрямитель
   ВС-24М или ВС 4-12), лампочки на 3,5В,
   демонстрационного амперметра, выбранного
   вами реостата, ключа. Подключите
   параллельно электрической лампочке
   демонстрационный вольтметр. Выставьте
   на выпрямителе выходное напряжение
   6В.

Замкните
электрическую цепь. Измерьте силу тока
в цепи и напряжение на лампе. Проследите
изменение напряжения на лампе в
зависимости от изменения силы тока в
электрической цепи (при помощи реостата).
Разомкните электрическую цепь.

Нарисуйте
схему электрической цепи:

1. Рассчитайте,
   какой реостат необходимо взять для
   того, чтобы лампу на 12В можно было бы
   включить в цепь с источником переменногого
   напряжения на 30В. Выберите этот реостат
   из предложенных вам.

Расчет
реостата.

____________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________

1. Соберите
   последовательно электрическую цепь,
   состоящую из источника питания(выпрямитель
   ВС-24М), лампочки на 12В, демонстрационного
   амперметра, выбранного вами реостата,
   ключа. Подключите параллельно
   электрической лампочке демонстрационный
   вольтметр. Выставьте на ВС-24М выходное
   переменное напряжение ~30В.

Замкните
электрическую цепь. Измерьте силу тока
в цепи и напряжение на лампе. Проследите
изменение напряжения на лампе в
зависимости от изменения силы тока в
электрической цепи (при помощи реостата).
Разомкните электрическую цепь.

Нарисуйте
схему электрической цепи:

1. Используя
   демонстрационные гальванометры от
   амперметра и вольтметра, обнаружить:
   термоток от термопары, индукционный
   ток, возбуждаемый в катушке 220В
   универсального школьного трансформатора
   при движении полосового магнита, фототок
   от фотоэлемента.

Для
выполнения этой части работы, каждый
из приборов (фотоэлемент, термопару,
катушку индуктивности) поочередно
подключайте вначале к гальванометру
от амперметра, а затем – к гальванометру
от вольтметра (к двум нижним клеммам
гальванометра) и запишите, в каком из
случаев отклонение стрелки гальванометра
были наибольшими, а значит, сделайте
вывод: с каким из приборов лучше
демонстрировать термоток, индукционный
ток, фототок.

1. Термоток
   от термопары;

Пронаблюдайте
за отклонением стрелки гальванометра
при нагревании спая термопары в пламени
спиртовки.

ВЫВОД:

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

___________________________

Б)
Индукционный
ток.

Пронаблюдайте
за отклонением стрелки гальванометра
при движении (вверх-вниз) полосового
магнита внутри катушки от универсального
школьного трансформатора.

ВЫВОД:

_______________________________

___________________________________

________________________________

_________________________________

_________________________________

_________________________________

_________________________________

В)
Фототок
от фотоэлемента.

Пронаблюдайте
за отклонением стрелки гальванометра
при освещении фотоэлемента (при снятии
светозащитной крышки с фотоэлемента).

ВЫВОД:

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Условие задачи:

Определить падение напряжения на полностью включенном реостате, изготовленном из никелинового провода, длиной 7,5 м. Плотность тока равна 1,5 А/мм².

Задача №7.1.12 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(L=7,5) м, (j=1,5) А/мм², (U-?)

Решение задачи:

Согласно закону Ома для участка цепи сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению на участке (U) и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка (R), поэтому:

[I = frac{U}{R}]

Откуда имеем:

[U = IR;;;;(1)]

Плотность тока (j) по определению равна отношению силы тока (I) на площадь поперечного сечения проводника (S), то есть:

[j = frac{I}{S}]

Тогда:

[I = jS;;;;(2)]

Сопротивление проводника (R), изготовленного из никелинового провода, легко определить по такой известной формуле (здесь (rho) – удельное электрическое сопротивление никелина, равное 420 нОм·м):

[R = rho frac{L}{S};;;;(3)]

Подставим (2) и (3) в (1), тогда:

[U = jSrho frac{L}{S}]

[U = jrho L]

Задача решена в общем виде, теперь необходимо лишь подставить данные задачи в полученную формулу и посчитать ответ:

[U = 1,5 cdot {10^6} cdot 420 cdot {10^{ – 9}} cdot 7,5 = 4,725;В = 4725;мВ]

Ответ: 4725 мВ.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

7.1.11 Допустимый ток для изолированного медного провода площадью поперечного сечения
7.1.13 Определить падение напряжения в линии электропередачи длиной 500 м при токе
7.1.14 Найти массу алюминиевого провода, из которого изготовлена линия электропередачи