Как найти удельное сопротивление реостата

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

Тема: “Расчет сопротивления проводника. Реостат”.

Предмет: физика.

Класс: 8.

Тема урока: «Расчёт сопротивления проводника.
Реостат.» 

Учебник: Физика 8 кл. Н.С. Пурышева,
Н.Е. Важеевская, М.: Дрофа.

Тип урока: урок «открытия» нового знания.

Деятелъностная цель: формирование у обучающихся умений
реализации новых способов действия.

Образовательная цель: создание условий для
формирования представлений  обучающихся о зависимости сопротивления от
характеристик проводника  и понимания необходимости его освоения для
использования на практике.

Личностные действия: смыслообразование: определение
границы собственного знания и «незнания», внутренней позиции к проблеме.

Регулятивные действия: целеполагание, планирование,
прогнозирование, контроль, коррекция, самооценка, саморегуляция.

Познавательные действия: анализ, сравнение,
аналогия,  работа с информацией, устанавление причинно-следственных
связей,  выбор наиболее эффективных способов решения, построение
логической цепи рассуждений 

Коммуникативные действия: планирование учебного
сотрудничества, формулирование и аргументация своего мнения в группе.

Задачи
урока:

– обучающие  задачи
урока:

сформировать
представления обучающихся об особенностях различных проводников по-разному
влиять на силу электрического тока, научиться экспериментально устанавливать
зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения
и вещества, из которого он изготовлен, сформировать умение решать расчетные
задачи и проводить анализ полученных результатов.

-развивающие задачи:

развивать
исследовательские компетенции обучающихся, умения воспринимать и представлять
информацию в словесной, символической, образной формах, делать анализ
результатов экспериментальной деятельности и решения качественных и расчётных
задач;

-воспитательные задачи
урока: 

формировать
отношения к деловому сотрудничеству в группе, умение эффективно сотрудничать и
строить продуктивное взаимодействие со сверстниками, умение аргументировать
свою точку зрения, спорить и отстаивать свою позицию не враждебным для
оппонентов образом.

Методы: исследовательский,
интерактивный.

Технологии: обучение на основе «проблемной ситуации»

Формы работы учащихся: 

§ 
беседа;

§ 
работа в группах;

§  работа с таблицей (учебником),
текстом,

§  Необходимое
оборудование:

Средства ИКТ:

§ 
ПК (для учителя);

§ 
видеопроектор;

Оборудование: источники тока, амперметры,
реостаты, ключи, колодки с проволокой разного сечения и удельного
сопротивления.

На доске:
“Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных  только
воображением”. (М.В.Ломоносов)

Ход
урока. 1.Мотивация к учебной деятельности. 1 мин.

2.Актуализация и фиксирование
индивидуального затруднения в пробном действии. 5
мин.

Учитель физики.
Здравствуйте, ребята! На прошлом уроке мы познакомились с электрическим
сопротивлением. Выяснили, почему проводники обладают электрическим
сопротивлением, и знаем как, используя закон Ома, рассчитать сопротивление
проводника. Для одного и того же проводника отношение напряжения на концах
проводника к силе тока в нем есть величина постоянная, так как во сколько раз
изменяется напряжение на концах проводника, во столько же раз изменяется и сила
тока.

  
      Открытия всегда начинаются с малого. Сегодня я пришла к вам с 
электрической плиткой, основным элементом, которой является обычная
металлическая спираль. Но данная плитка даёт очень мало тепла, слабо
нагревается.  Как увеличить мощность плитки?

(Обучающиеся
предлагают различные варианты решения проблемы.)

Вы
предложили много вариантов. Как найти правильный? Что необходимо сделать?
Вспомните методы изучения физических явлений.

(изучить
теорию, провести эксперимент). 

 Сегодня на уроке мы выясним, от чего зависит сопротивление
проводника. А как вы думаете, от чего оно может зависеть?

Ученики высказывают свое мнение.

3.Контроль знаний основных формул.

1)
Какая формула выражает определение силы тока?2

2)
Какая формула выражает основной закон для участка электрической цепи?3

3) По
какой формуле можно рассчитать сопротивление проводника?4

4.Как
подсчитать заряд?1

5 По
какой формуле можно рассчитать напряжение через мощность?5

6)
Пользуясь какой формулой, можно рассчитать мощность тока?7

 7.
По какой формуле можно рассчитать напряжение через сопротивление?6

Учитель: Давайте попробуем
исследовать зависимость электрического сопротивления проводника от длины
проводника, от площади поперечного сечения, от материала проводника. А вот как
зависит электрическое сопротивление проводника от этих параметров, вам
предстоит выяснить. Прошу вас разделиться на группы и исследовать
самостоятельно зависимость электрического сопротивления от длины проводника,
площади поперечного сечения и материала проводника.

Работа в группах

Группа № 1. Исследование зависимости сопротивления проводника от
его длины

1.    
Собрать электрическую цепь из источника тока, амперметра,
реостата, ключа, одной из колодок с проволокой.

2.    
Замкнуть цепь и записать показания амперметра.

3.    
Поменять колодку с проволокой на другую (большей длины) и снова
снять показания амперметра.

4.    
Сравнить полученные значения силы тока и сделать вывод: какая из
двух проволок одинаковой толщины имеет большее сопротивление.

Во сколько раз уменьшается
длина проводника, во столько же раз уменьшается сопротивление. Такая
зависимость называется прямая пропорциональность. Чем длиннее проводник электричества, тем больше
его электрическое сопротивление.

  R ~ l;

Сделаем
вывод: сопротивление проволочного металлического проводника прямо
пропорционально его длине.

Группа № 2. Исследование зависимости сопротивления проводника от
площади поперечного сечения

1.    
Собрать электрическую цепь из источника тока, амперметра,
реостата, ключа и одной из колодок с проволокой.

2.    
Замкнуть цепь и записать показания амперметра.

3.    
Поменять колодку с проволокой на другую и снова снять показания амперметра.

4.Сравнить полученные значения силы тока и сделать вывод: какая из
двух проволок одинаковой длины имеет большее сопротивление.

Сделаем вывод: Чем меньше
площадь поперечного сечения проводника электричества, тем больше электрическое
сопротивление.

1.    
R ~ 1/S; Если площадь сечения уменьшить в 2 раза, то сопротивление
увеличится в 2 раза.

Группа № 3. Исследование зависимости сопротивления проводника от
материала, из которого изготовлен проводник

1.    
Собрать электрическую цепь из источника тока, амперметра,
реостата, ключа и одной из колодок с проволокой.

2.    
Замкнуть цепь и записать показания амперметра.

3.    
Поменять колодку с проволокой на другую и снова записать показания
амперметра.

4.    
Сравнить полученные значения силы тока и сделать вывод: какая из
двух проволок имеет большее сопротивление.

Сделаем вывод: R зависит от материала проводника. R ~  ρ ;

Подсказка для всех групп: записать формулу закона Ома и
проанализировать ее.

Учитель. В каждой группе пришли к
своему выводу, что

а) R ~ l;

б) R ~ 1/S;

в) R зависит от материала проводника. R ~  ρ ;

Итак, исходя из наших опытов, сопротивление проводника
прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади
поперечного сечения и зависит от вещества проводника (удельного сопротивления):

где  ρ – удельное сопротивление проводника,

S – площадь поперечного сечения
проводника,

l – длина проводника.

– Как узнать единицу измерения удельного сопротивления? Выразить ρ из
данной формулы

 ; СИ:  .

Однако площадь поперечного сечения проводника удобнее измерять в
мм², поскольку это больше соответствует размерам реальных
проводников, тогда

Таким образом, мы с вами вывели формулу для расчета сопротивления
проводника. Записываем тему урока: “Расчет сопротивления проводника”.

Коэффициент пропорциональности  ρ  , входящий в
формулу, характеризует электрические свойства вещества, из которого изготовлен
проводник. Этот коэффициент называется удельным сопротивлением проводника или

На странице (227) учебника приведена таблица, в которой указано
удельное сопротивление некоторых веществ. Рассмотрите таблицу и ответьте на
вопросы:

1.    
Какие вещества являются лучшими проводниками электрического тока? (Проводящими электрический ток веществами являются расплавы
металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт,
человеческое тело.)

2.    
Где могут использоваться вещества с большим удельным
сопротивлением? (Лампы накаливания, например в
электронагревателях печей для всех отраслей промышленности, бытовых приборов и
аппаратов теплового действия.)

Вернёмся к нашей проблеме. Как Вы
считаете, какую физическую величину необходимо изменить, чтобы увеличить
мощность плитки?

Уменьшится сопротивление, при
неизменном напряжение по закону Ома увеличится ток, а вместе с ним и мощность.

При укорочении спирали сопротивление ее
электрическому току УМЕНЬШИТСЯ. При этом ток через спираль увеличится (по
закону Ома, при том же напряжении, 220 Вольт уменьшение сопротивления приведет
к увеличению тока) . Мощность увеличится, так – как она равна произведению
напряжения на ток. Напряжение не изменилось, ток – увеличился.

В электронагревательных и осветительных
приборах используется полезная мощность (мощность, выделяемая во внешнем
сопротивлении) она равна: Р = I^2*R = U*I (1), где Р – полезная мощность
электроплитки (Вт) , I – сила тока в проводнике (А) , U – напряжение на данном
участке цепи (В) , R – сопротивление проводника (Ом) .
Сопротивление проводника R зависит от его свойств и геометрических размеров:
R = ρ* l /S (2), где ρ – удельное сопротивление
вещества; l – длина проводника; S – площадь поперечного сечения. Из данной
формулы (2), видно, что при уменьшении длины проводника, уменьшается и его
сопротивление.
После отрезания части нагревательной спирали электроплитки – сопротивление её
нагревающегося участка уменьшится, согласно закона Ома – для участка
электрической цепи: I=U/R (3).
Тогда согласно формуле (3) сила тока в оставшейся части нагревательной спирали
электроплитки увеличится, так как напряжение на данном участке цепи останется
тем же, а сопротивление проводника станет меньше.
В соответствии с формулой (1) полезная мощность электроплитки увеличится,
поскольку при неизменном напряжении, в оставшемся проводнике возрастёт сила
тока, а сопротивление уменьшится.

3.     Что мы можем изменить у проводника,
если знаем, что это характеристика самого проводника? (Длину, площадь,
материал.)

Физминутка

1.Гальванический
элемент или аккумулятор

2. Соединение проводов

3. Пересечение проводов без
соединения

4. Ключ

5. Лампочка

6. Электрический звонок

7. Электродвигатель или генератор

Реостаты .

Изменить силу тока можно, меняя сопротивление цепи. Приборы,
позволяющие плавно регулировать силу тока в цепи, называют реостатами.

РЕОСТАТ
произошло от греческого слова

«РЕОС»
–течение, поток;

«СТАТОС»
–неподвижный

Устройство реостата

На практике применяют самые
разнообразные реостаты. Но общее для всех реостатов — это использование длинной
проволоки с большим удельным сопротивлением.

Давайте рассмотрим поподробнее ползунковый реостат, с которым вы
будете работать на уроках. Его внешний вид и условное обозначение на схемах
представлены на рисунке.

В этом реостате никелиновая проволока, покрытая тонким слоем
окалины, намотана на керамический цилиндр. Окалина позволяет изолировать витки
друг от друга. По расположенному вверху металлическому стержню может
перемещаться ползунок. Контакты ползунка прижаты к виткам обмотки, и в
результате трения слой окалины под контактами стирается. Электрический ток в
цепи проходит от витков проволоки к ползунку, а через него — в стержень, на
конце которого находится зажим. Другой зажим соединён с одним из концов
обмотки. Таким образом, ток проходит от одного зажима до другого через витки
обмотки, число которых можно менять в зависимости от положения ползунка.

На каждом реостате обязательно указывают его
максимальное сопротивление и допустимое для его обмотки значение силы тока.

Закрепление. Сегодня мы рассмотрели, что
сопротивление зависит от длины, от поперечного сечения и от вещества, из
которого сделан проводник.  Кроме того, мы рассмотрели различные виды
сопротивлений, в том числе и переменные для прерывистого и плавного
регулирования сопротивления в цепи. Некоторые переменные сопротивления
используются для регулирования громкости воспроизведения звуковых передач.

Задача 1 Определите сопротивление телеграфного провода между нашим
селом и районным поселком Николаевка, если расстояние между ними 15км, а
проводка сделана из железной проволоки площадью поперечного сечения 14 мм²

Задача№2.
Какой длины надо взять медную проволоку площадью поперечного сечения 0,5 мм²
, чтобы сопротивление ее было равно 34 Ом?

Задачи из ОГЭ:

Итог
урока:

Рефлексия.

Удельное сопротивление. Реостат.

Цель урока: познакомить учащихся с удельным сопротивлением проводников, от чего зависит и как рассчитать удельное сопротивление; ознакомить с устройством, назначением  и принципом действия резистора и реостата.

Проверка домашнего задания:

В чем причина сопротивления?

Какова зависимость силы тока в проводнике от сопротивления этого проводника?

Как формулируется закон Ома?

Как выразить сопротивление участка цепи, зная напряжение на его концах и силу тока в нем?

Ход урока.

Электрическое сопротивление проводника происходит из-за взаимодействия электрона с ионами кристаллической решетки.

Сопротивление проводника зависит от:

– его длины;

– площади поперечного сечения;

– от вещества, из которого он изготовлен.

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

Чтобы посчитать зависимость сопротивления от вещества, из которого изготавливают проводник, надо вычислить его удельное сопротивление.

Удельное сопротивление – это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, и площадью поперечного сечения 1 м2.

– удельное сопротивление.

По определению ; ;

Единицей сопротивления является 1 Ом, единицей удельного сопротивления является

Т.к. мы используем тонкие проводники, то .

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладает медь и серебро. Из закона Ома мы знаем, что чем меньше сопротивление, тем больше сила тока. Из серебра будут слишком дорогие провода, поэтому используют медь.

Фарфор и эбонит имеют большое удельное сопротивление, поэтому их используют в качестве изоляторов. Удельное сопротивление зависит от температуры.

Для того, чтобы менять силу тока в цепи нам надо менять сопротивление. Для изменения сопротивления используют специальные приборы – реостаты. Так же есть элемент сопротивления – резисторы.

Резистор – это элемент, обладающий определенным электрическим сопротивлением.

Резистор обладает сопротивлением. Каждый резистор рассчитан на какое-то определенное сопротивление. Чтобы узнать это сопротивление, достаточно посмотреть на корпус резистора.

Реостат – это прибор для регулирования силы тока в цепи.

Виды реостатов:

Ползунковый – стальная проволока, намотана на керамический цилиндр. Проволока покрыта тонким слоем окалины, которая не проводит электрический ток, поэтому ее витки изолированы друг от друга. Над обмоткой – металлический стержень по которому перемещается ползунок. От трения ползунка о витки слой окалины стирается и электрический ток в цепи проходит от витков к ползунку, потом в стержень. Таким образом, можно увеличивать или уменьшать сопротивление реостата.

Жидкостной реостат – в простейшем виде он состоит из емкости, содержащей рассол или другой раствор электролита, в которую погружены электроды для создания электрической нагрузки. Электроды могут подниматься или опускаться в жидкость для соответственно увеличения или уменьшения электрического сопротивления нагрузки. Для стабилизации нагрузки смесь не должна закипать.

Величина сопротивления реостата пропорциональна расстоянию между пластинами и обратно пропорциональна площади части поверхности пластин, погружённой в электролит

Железные дороги обычно использовали банки соленой воды в 1950-х годах для проверки выходной мощности дизель-электрических локомотивов.[3] Впоследствии они были заменены специально разработанными банками резистивной нагрузки. Эти более поздние конструкции, рассчитанные на 4000 лошадиных сил (3000 кВт).

Проволочный – состоит из проволоки, у которой высокое удельное сопротивление натянутой на раму.

Нельзя превышать силу тока реостата, потому что обмотка реостата может перегореть.

Реостат мы часто применяем в повседневной жизни, например, регулируя громкость телевизора и радио, увеличивая или уменьшая скорость езды на машине.

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

На
прошлых уроках мы с вами говорили об электрическом сопротивлении. Давайте с
вами вспомним, что это физическая величина, характеризующая свойства проводника
препятствовать прохождению электрического тока. Введя
новую величину — сопротивление, мы с вами до сих пор не ответили на один очень
важный вопрос: от каких факторов зависит сопротивление проводника?

Анализируя
природу электрического сопротивления, можно высказать предположение, что сопротивление
зависит от длины и толщины проводника, а также материала, из которого он
изготовлен.

Как
обычно, проверим справедливость этой гипотезы на опыте. Для этого используем
цепь из источника тока, амперметра и панели с исследуемыми проводниками. На
панели имеются укреплённая вверху проволока из нихрома (специальный сплав, из
которого изготовляют спирали нагревательных приборов) с клеммами подключения на
концах и в середине. Ниже неё, посередине панели, располагаются два
других нихромовых проводника сложены вместе. А в нижней части укреплена
железная проволока такого же диаметра, как и верхние нихромовые. Для удобства
поочерёдного включения левые концы всех проволок соединены друг с другом и к
ним подведён один из проводов источника. Дотрагиваясь поочерёдно другим проводом,
идущим от источника, до точек В, С, D
и E мы
можем включать в цепь любой из проводников.

Из
чего можно сделать первый вывод: сопротивление проводника прямо
пропорционально его длине.

Затем
сравним силу тока в первом измерении (то есть в нихромовом проводе полной длины)
с силой тока в двойном проводе, который имеет такую же длину, но
обладает вдвое большим сечением.

Как
видно, при удвоении сечения сила тока возросла вдвое, то есть при большем
сечении (в два раза) сопротивление меньше также в два раза, что
приводит нас к выводу о том, что сопротивление проводника обратно
пропорционально площади его поперечного сечения.

Для
чего в установке нижний, железный, провод вы, наверняка, уже догадались: он по
длине и сечению одинаков с верхним, но изготовлен из другого материала.

Включив
его в цепь, мы увидим резкое увеличение силы тока, то есть его проводимость гораздо
больше, чем у нихромового проводника, а, следовательно, меньше сопротивление.
Отсюда делаем третий вывод: сопротивление проводника зависит от вещества, из
которого он изготовлен.

Теперь
мы с вами получили возможность вывести формулу для расчёта сопротивления
проводника. Не трудно понять, что в её правой части будет три члена: длина — в
числителе (прямая пропорциональность), площадь поперечного сечения — в
знаменателе (обратная пропорциональность) и, конечно же, специальный
коэффициент, отражающий проводящие свойства вещества.

Таким
образом, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно
пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от материала
проводника:

Коэффициент
ρ, стоящий в формуле, называют удельным сопротивлением вещества.
Иными словами, это характеристика не конкретного рассматриваемого проводника, а
именно вещества, из которого он изготовлен. Она равна сопротивлению
проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м².

В
СИ удельное сопротивление измеряется в Ом-м. Так как на практике длину
проводников измеряют обычно в метрах, а площадь поперечного сечения в
квадратных миллиметрах, то удельное сопротивление удобно записывать в виде:

Значения
удельного сопротивления для различных веществ представлены в таблице:

Смысл
приведённых в таблице удельных сопротивлений прост. Если для нихрома значение
удельного сопротивления равно 1,1 ∙ 10⁻⁶ ,
то это значит, что нихромовый проводник длиной 1 м и поперечным сечением в 1 мм²
обладает сопротивлением 1,1 Ом.

Будьте
внимательны и всегда смотрите на единицу удельного сопротивления, когда
пользуетесь табличными данными.

Значения
удельного сопротивления веществ приведены для температуры 20 ^оС, так
как сопротивление проводников зависит от температуры (с чем вы более подробно
познакомитесь в старших классах). Отметим лишь то, что при повышении
температуры удельное сопротивление возрастает, а при понижении уменьшается.

Так
сенсацией начала ХХ в. стало открытие явления сверхпроводимости. Оно
заключается в том, что при очень сильном охлаждении (примерно до −270 ^оС
и ниже) сопротивление некоторых металлов резко снижалось до нуля. При этом
сверхпроводящие металлы не нагревались даже при очень большой силе тока в них.

Очень часто на практике
приходится менять силу тока в цепи, плавно увеличивая или уменьшая её.

Изменить силу тока
можно, меняя сопротивление цепи. Приборы, которые позволяют сделать это плавно,
называются реостатами.

 Продемонстрировать
принцип работы реостата можно с помощью обычной проволоки, желательно
никелиновой или нихромовой, так как они обладают большим удельным
сопротивлением.

При включении в цепь
такой проволоки один контакт неподвижен, а другой — может перемещаться вдоль
проволоки. Амперметр показывает, как меняется сила тока в цепи при перемещении
подвижного контакта. Очевидно, что чем больше часть проволоки, включённая в
цепь, тем больше сопротивление проволоки и, следовательно, тем меньше сила тока
в цепи.

На практике применяют
самые разнообразные реостаты. Но общее для всех реостатов — это использование
длинной проволоки с большим удельным сопротивлением.

Давайте рассмотрим поподробнее
ползунковый
реостат, с которым вы будете работать на
уроках. Его внешний вид и условное обозначение на схемах представлены на рисунке.

В этом реостате
никелиновая проволока, покрытая тонким слоем окалины, намотана на керамический
цилиндр. Окалина позволяет изолировать витки друг от друга. По расположенному
вверху металлическому стержню может перемещаться ползунок. Контакты ползунка
прижаты к виткам обмотки, и в результате трения слой окалины под контактами
стирается. Электрический ток в цепи проходит от витков проволоки к ползунку, а
через него — в стержень, на конце которого находится зажим. Другой зажим
соединён с одним из концов обмотки. Таким образом, ток проходит от одного
зажима до другого через витки обмотки, число которых можно менять в зависимости
от положения ползунка.

Пример
решения задачи.

Задача. При
подключении к источнику тока с напряжением 6 В никелинового проводника
поперечным сечением 0,3 мм² по нему прошёл ток силой 0,3 А. Какова
длина проводника?