ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

высокоомных потребителях. В качестве потенциометра реостат подключается к источнику через нижние клеммы A и B, к которым подключены концы обмотки реостата (рис. 1), а потребитель – через клемму C, на которую выведен его ползунок D, и клеммы А или В.

Принцип действия потенциометра заключается в том, что напряжение источника подводится ко всему реостату, а на потребитель (нагрузку) снимается только часть этого напряжения. Эту часть можно изменять, перемещая ползунок D от точки А до точки В. При этом напряжение на нагрузке Uн будет постепенно изменяться от нуля до напряжения источника. Напряжение на потребителе может изменяться прямо пропорционально длине участка АС, но может иметь и более сложную зависимость. Характер этой зависимости U = f(l) определяется соотношением сопротивлений нагрузки Rн и потенциометра Rпот. Если сопротивление нагрузки много больше сопротивления потенциометра (Rн >> Rпот), то Uн будет прямо пропорционально длине lАС (рис. 7, кривая 1). При соотношении Rн: Rпот = 10:1 аналогичная зависимость изображается почти прямой линией (кривая 2). При равенстве сопротивлений потенциометра и нагрузки (Rн: Rпот = 1:1) регулировочная кривая (кривая 3) заметно отличается от линейной. Существенное отклонение от линейной зависимости (кривая 4) наблюдается при соотношении Rн: Rпот = 1:10. В этом случае, например, если ползунок D стоит посредине потенциометра, на нагрузку подается не половина, а лишь 1/7 часть напряжения источника. Кроме этого, при приближении ползунка D к точке B ток на участке CB потенциометра резко увеличивается, так как по этому участку идет и ток нагрузки Iн, который при данном соотношении сопротивления потенциометра и нагрузки (10:1) в несколько раз превышает ток, текущий по участку AC. Этот ток может значительно превысить номинально допустимый ток через потенциометр и сжечь его витки на участке CB.

Теперь можно сформулировать требования к расчету и выбору реостата, включенного по схеме потенциометра:

1. Сопротивление потенциометра должно быть много меньше (Rпот<< Rн) сопротивления нагрузки. Это требование не обязательно, но при его невыполнении, дальнейший расчет значительно усложнится из-за необходимости учета тока через нагрузку. Термин "много меньше" означает хотя бы в 10 раз меньше, а лучше в 20, 30, … 50 или 100 и т.д.: чем меньше, тем лучше. Но сопротивление потенциометра не может быть очень малым, иначе не будут

31

выполняться требования 2 и 3.

2. Потенциометр должен выдерживать напряжение источника

тока: (Iном/пот Rпот) > Uист. При этом ток, протекающий по потенциометру при подаче на него напряжения источника (Iпот = Uuст

/Rпот), должен быть меньше номинального тока потенциометра: Iпот <

Iном/noт .

3. Ток, протекающий через потенциометр (при подключении его к источнику тока) Iпот = Uuст /Rпот, не должен превышать номинального тока источника: Iпот < Iном/ист .

4. Если первым трем условиям удовлетворяют несколько реостатов, то рекомендуется выбрать реостат с большим сопротивлением, так как он при этом будет потреблять меньший ток от источника тока. Это особенно важно при использовании гальванических элементов или аккумуляторов.

Рассмотрим пример выбора потенциометра: "Необходимо изменять напряжение на вакуумном диоде сопротивлением 20 кОм от нуля до 200 В. Источником тока в схеме является выпрямитель, дающий напряжение 250 В. Допустимый ток выпрямителя –180 мА."

Для регулировки напряжения на вакуумном диоде воспользуемся потенциометром.

Требование 1. Сопротивление потенциометра должно быть много меньше 20 кОм. Это требование удовлетворить легко, так как все реостаты в лаборатории имеют сопротивление меньшее 20 кОм: подойдут реостаты с сопротивлением 2 кОм, 1 кОм, 500 Ом, 200 Ом. В этом случае соотношение сопротивлений будет, соответственно,

равно 10:1, 20:1, 40:1, 100:1.

Требование 2. Напряжение источника 250 В выдержит не каждый реостат. Например, на реостат "200 Ом, 1 А" можно подать напряжение не более 200 В. Этот реостат не подходит. Реостат "500 Ом, 0.6 А" выдерживает напряжение 300 В. Еще большее напряжение 400 В можно подать на реостат "1000 Ом, 0.4 А".

Но применять эти два реостаты нельзя, несмотря на то, что они удовлетворяют требованию 2, так как ни один из них не удовлетворяет требованию 3.

Требование 3. Ток, проходящий через реостат с сопротивлением

1000 Ом от источника с напряжением 250 В, равен I = Uист /Rпот = 250 В/1000 Ом = 0.25 А, т.е. 250 мА. Этот ток больше допустимого тока

источника (Iист/доп = 180 мА).

32

Можно сразу рассчитать наименьшее сопротивление потенциометра, такое, чтобы ток от источника был меньше 180 мА

(0.18 А):

Rпот > (Uист /Iист/доп) = (250 В/0.18А) > 1389 Ом.

Теперь ясно, что реостаты в 500 Ом и 1000 Ом, хотя они сами и выдержат напряжение источника, нельзя использовать, так как при этом в цепи пойдут токи, большие допустимого тока источника.

Возьмем реостат "1400 Ом, 0.4 А". Его сопротивление практически равно 1389 Ом, ток от источника будет потребляться чуть меньший, чем 180 мА, а именно: 250 В/1400 Ом = 0.179 А = 179 мА. При этом сам реостат выдержит и этот ток, и напряжение источника (требование 2). Однако, это наименьшее возможное значение сопротивления потенциометра, удовлетворяющее условиям задачи. Требование 1 (соотношение Rн: Rпот = 1:14) и требование 2

(Iном/пот Rпот = 560 В > Uист = 250 В) выполняются с хорошей гарантией. А вот требование 3 (ограничение по току источника)

выполняется на пределе допустимого значения.

Возьмем реостат "1900 Ом, 0.4 А". Его сопротивление почти в 10 раз меньше 20 кОм, но больше, чем 1389 Ом. Ток в цепи источника меньше 180 мА: 250 В/1900 Ом = 0.13 А = 130 мА. При этом сам реостат выдерживает напряжение 760 В. Требования 3 и 4 теперь тоже выполнены с хорошей гарантией. Возможно также использование реостата с параметрами "2500 Ом, 0.2 А".

Отметим, что при расчете потенциометра, необходимо заранее знать параметры реостатов, находящихся в лаборатории. Эти параметры приведены в таблице.

Таблица

33

Для особо плавной регулировки напряжения на потребителе применяют усложненные схемы делителей напряжения. На рис. 8 два потенциометра соединены последовательно. Если при этом сопротивление R1 в несколько раз больше сопротивления R2, то грубое регулирование осуществляется перемещением движка С1, а плавное – движком С2.

Рис. 8. Рис. 9.

На рис. 9 приведена еще одна схема соединения потенциометров. Регулируемое напряжение с одного потенциометра R1, подается на другой потенциометр R2, что позволяет с помощью последнего производить изменение напряжения на потребителе более плавно.

Сравнивая регулирование тока и напряжения с помощью реостата и потенциометра, следует отметить, что и тот, и другой позволяют получить на нагрузке напряжение, равное или меньшее напряжению источника, причем с помощью потенциометра можно плавно уменьшить напряжение до нуля, чего практически невозможно добиться с помощью реостата. Но при использовании потенциометра от источника потребляется ток, в несколько раз больший, чем требуется нагрузке. При использовании же реостата ток от источника равен току нагрузки. По этим причинам реостат применяется для регулировки тока и напряжения на низкоомных нагрузках, которые обычно потребляют сравнительно большие токи, а потенциометры – для высокоомных нагрузок, потребляющих, как правило, небольшие токи.

Порядок выполнения работы (к части 2)

1. Рассчитайте потенциометр для регулировки тока и напряжения на высокоомном резисторе. Конкретные данные о параметрах резистора и об источнике задает преподаватель.

34

2.Подберите потенциометр и вольтметр для контроля напряжения на резисторе. Обоснуйте свой выбор.

3.Соберите цепь для регулирования напряжения на резисторе (рис. 6). Установите движок потенциометра в положение, при котором напряжение на резисторе будет равно нулю.

4.После проверки схемы преподавателем или лаборантом подключите схему к источнику тока и продемонстрируйте работу потенциометра.

5.Снимите зависимость напряжения на резисторе от положения

движка потенциометра U = f (lХ). Предварительно рабочую длину потенциометра (lХ) разбейте на 4–6 равных частей. Результаты измерений занесите в таблицу. Постройте график зависимости U = f

(lХ) (см. рис. 7).

6. В отчете приведите схему, расчет потенциометра, результаты измерений, график изменения напряжения на резисторе U = f(lХ).

Для получения зачета необходимо

1.Продемонстрировать умение рассчитывать потенциометр для регулировки напряжения на высокоомной нагрузке и навыки сборки электроизмерительных схем.

2.Представить отчет по установленной форме.

3.Уметь отвечать на вопросы типа:

3.1.Объясните назначение и принцип действия потенциометра.

3.2.При каком условии напряжение, снимаемое с потенциометра, будет пропорционально длине участка АС? (см. рис. 6).

3.3.Изменится ли ток через участок СВ потенциометра (рис. 6) при регулировании напряжения на потребителе?

3.4.Изменится ли ток через участок АС потенциометра (рис. 6) при регулировании напряжения на потребителе? Нарисуйте схему для экспериментальной проверки.

3.5.Почему потенциометры не применяются для регулирования тока и напряжения на низкоомных потребителях?

3.6.Сравните возможности схем (рис. 8 и 9) для плавной регулировки напряжений в области малых напряжений по сравнению

снапряжением источника и в области напряжений близких напряжению источника.

3.7.Каково напряжение на нагрузке с сопротивлением 500 Ом, если движок С (рис. 6) находится посередине потенциометра? Сопротивление потенциометра 1000 Ом, напряжение источника тока

35

100 В. Какие требования предъявляются к вольтметру в этих условиях?

3.8.Рассчитайте потенциометр для изменения напряжения на потребителе. Сопротивление потребителя 10 к0м, номинальная мощность 2 Вт. Напряжение источника тока 250 В. Максимально допустимый ток от источника 120 мА.

3.9.Напряжение на нагрузке Rн (рис. 10) контролируется высокоомным вольтметром (RV >> Rн). Какой график зависимости

Uвых = f(lAC) соответствует схеме, если а) Rн = R1; б) Rн= 20R1; в) Rн = 0.1R1?

3.10. На выход делителя напряжения (рис. 10) подключен вольтметр V, внутреннее сопротивление которого соизмеримо с сопротивлением потенциометра (RV ≈ R1). Какой график зависимости Uвых = f(lAC) соответствует данному условию?

3.11. Как будет изменяться напряжение UХ (рис. 11) при перемещении движка? Рассмотрите случаи: а) R1> R2; б) R1 = R2; в) R1< R2.

Дополнительные задания к части 2

1. Исследуйте влияние сопротивления нагрузки на режим работы

Eделителя. Соберите цепь по схеме рис. 12, где E –

36

Предварительно рабочую длину потенциометра (lX) разбейте на 4 – 6 равных частей. Результаты измерений занесите в таблицу. Постройте графики зависимости U = f (lX).

2.Соберите схемы, изображенные на рис. 8 и 9. Убедитесь в плавности регулировки напряжения.

3.Ознакомьтесь с устройством радиотехнического потенциометра. Для потенциометра, предложенного преподавателем, получите экспериментальную зависимость напряжения на выходе U

от угла поворота ϕ оси потенциометра. Источник тока и вольтметр рассчитайте и выберите самостоятельно. Объясните характер полученной зависимости U(ϕ).

4. Соберите и исследуйте работу схемы, предложенной в контрольном вопросе 3.11 рис. 11.

Часть 3. Автотрансформатор

Реостаты и потенциометры при регулировании тока и напряжения потребляют от источника дополнительную энергию, сверх необходимой для потребителя. Эти потери будут тем больше, чем шире диапазон регулирования. В цепях переменного тока можно осуществить регулирование напряжения на потребителе (нагрузке) и тока через него в широких пределах и без значительных потерь. Для этого используют автотрансформаторы. Все автотрансформаторы работают только на переменном токе. Принцип действия автотрансформатора похож на принцип действия потенциометра.

Напряжение источника тока подается на обмотку автотрансформатора АВ (рис. 13). Переменный ток, проходя по обмотке, создает в А сердечнике переменный магнитный поток, который наводит ЭДС индукции

В лабораторной практике применяются два типа автотрансформаторов: РHШ (регулятор напряжения школьный) и ЛАТР-1, ЛАТР-2

37

(лабораторный автотрансформатор). Эти трансформаторы предназначены для плавной регулировки напряжения в пределах от 0 до 250 В при напряжении источника тока 127 В или 220 В.

ЛАTP-I и ЛАТР-2 имеют панель с клеммами, на которой (рис. 14) изображены схемы присоединения источника тока и нагрузки. Напряжение из сети подаётся на клеммы АВ (127 В), либо на клеммы АС (220 В). На нагрузку напряжение (от 0 до 250 В) подается с клемм DЕ.

С

Рис.14.

Величина снимаемого напряжения регулируется поворотом головки на верхней части кожуха. Там же находятся деления, указывающие напряжение на выходе. Направление вращения в сторону увеличения напряжения обозначено стрелкой на самой головке.

Перед включением напряжения, подаваемого на автотрансформатор, головку следует повернуть до упора против часовой стрелки, чтобы в момент включения напряжение на выходе было минимальным (нуль).

РНШ в отличие от ЛАТР-1 и ЛATP-2 имеет встроенный в общий кожух вольтметр (рис. 15), показывающий напряжение на выходе. Кроме того, в днище прибора имеется предохранитель-переключатель (см. схему рис.15). Напряжение на РНШ подается с помощью шнура с вилкой, а снимается с клемм "выход" на боковой стенке кожуха. Расстояние между выходными клеммами-гнездами позволяет вставлять в них обычную осветительную вилку.

При использовании автотрансформаторов следует учитывать, что

38

3.4. Электроизмерительные приборы какой системы могут быть использованы в цепях с ЛАТРом и РНШ?

Дополнительные вопросы для студентов факультетов химии, биологии, института естествознания

1.Найдите силу электрического тока, который пройдет через организм человека при касании сетевых проводов, находящихся под напряжением 220 В. При сухой неповрежденной коже сопротивление

между крайними точками тела человека (от ноги до руки или от одной руки до другой) достигает ~105 Ом, при мокрой коже может составлять 1% от этого значения. Опишите эффект действия этого тока на человека.

2.При франклинизации больного между электродами за время одной процедуры лечения (10 мин) проходит заряд 1.6·10-2 Кл. Определите среднюю силу тока.

3.В чем суть метода электростимуляции?

4.Приведите примеры хороших/плохих проводников в организме человека. Опишите характер изменения сопротивления человека под действием внезапных раздражающих факторов и его последующего восстановления.

5.Сравните механизмы прохождения электрического тока через раствор и через проводник.

Дополнительные вопросы для студентов факультета технологии и предпринимательства

1.Почему вспомогательные детали в электрических цепях – зажимы, замыкатели и т.п. делают из толстых и коротких медных частей?

2.Почему на реостате указываются две величины: максимальное сопротивление и сила тока? Какая сила тока указывается на реостате: номинальная минимальная или максимальная?

3.Сварочный аппарат присоединен к источнику тока медными

проводами длиной 20 м, по которым идет ток 200 A. Каковы потери напряжения в проводах, если их сечение 25 мм2?

4.Прибор имеет 100 делений с ценой 10 мкА и внутренним сопротивлением 100 Ом. Как из этого прибора сделать вольтметр для измерения напряжений до 100 В или амперметр для измерения тока 1 А?

Дополнительные вопросы к работе

1. Четыре одинаковых сопротивления соединяют различными способами. Начертите схемы всех возможных способов соединения.

40