Работа 1. ВЫБОР РЕОСТАТА И ПОТЕНЦИОМЕТРА

Цель работы: рассчитать и выбрать реостат для регулировки тока и напряжения на низкоомном потребителе (часть 1); рассчитать и выбрать потен­циометр для регулировки напряжения на высокоомном потре­бителе (часть 2); изучить принцип действия и работу лабораторного авто­трансформатора (часть 3).

Принадлежности: источник тока, вольтметры, амперметры, реос­та­ты, низкоомные резисторы и лампочки накаливания, высокоомные резисторы, лабораторный авто­трансформатор, лампа накаливания (на 220 В).

Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы

1. Что означают термины: номинальный ток, номинальное напря­же­ние, номиналь­ная мощность?

2. Что называется сопротивлением?

3. Опишите, как протекает ток через электрическую лампу. Из чего скла­дывается сопротивление лампы? Чем определяется ее яркость? Как рассчитать мощность электрической лампы?

4. Сформулируйте закон Ома для участка цепи.

5. Сформулируйте законы последовательного и параллельного соединений проводников.

6. Как устроен реостат? Как правильно подобрать реостат для регулировки напряжения и тока в цепи?

7. Как выбирают электроизмерительные приборы (ампер­метры, вольт­метры) при проведении измерений?

8. Расскажите ход выполнения работы.

Введение

Потребители тока (электроизмерительные приборы, сопротив­ле­ния, лампочки и т.д.) рассчитаны на определенную мощность. Для нормальной длительной работы потребителей тока напряжение и ток на них не должны превышать некоторых установленных значений, которые называются номинальными значениями напряжения и тока. В случаях превышения номинальных значений потребитель (нагрузка) разогревается, срок его службы уменьшается.

Очень часто возникает необходимость произвести измерения при различных режимах (при разных значениях тока и напряжения). Часто имеющиеся в нашем распоряжении источники тока дают напряжение, превышающее то, на которое рассчитан потре­битель тока. В этих случаях применяются регулирующие устройства – реостаты и потенциометры.

При регулировании напряжения на нагрузке, следует иметь в виду, что при этом будет изменяться и ток, протекающий через него. Можно говорить о пропор­циональной зависимости между напряжением U и током I, только если сопротивление нагрузки R не зависит ни от напряжения, ни от тока. В большинстве случаев это условие выполняется, и сопротив­ление нагрузки можно считать независящим от тока и напряжения на них.

Изменение напряжения, подаваемого на нагрузку, и, следовательно, тока, протекающего через него, производится либо с помощью реостата, либо с помощью потенциометра. В цепях переменного тока применяют еще и автотрансформаторы.

Часть 1. Реостат

В

Рис. 1.

лабораторной практике наибольшее распространение полу­чили реостаты со скользящим кон­тактом (рис. 1). Реостат состоит из фарфорового или шиферного основания, на котором намотана виток к витку голая проволока из реотана, нихрома или других сплавов с большим удель­ным сопротивлением. Над обмоткой расположен латунный стержень, по которому сколь­зит ползунок D (сколь­зя­щий контакт). Стер­жень, сопро­тив­ле­ние которого практически равно нулю, окан­чи­вается клеммой C. В качестве реоста­та он вклю­чается в цепь последовательно с нагрузкой через клеммы A и C или B и C (рис. 2). Если реостат подключен через клеммы A и C, ток пойдет по виткам, находя­щим­ся на участке AC. При смещении ползунка D вправо (в сторону клеммы C, см. рис. 1) участок AC увели­чивается и сопротивление реостата возрас­тает. При под­ключении реостата через клеммы B и C ток идет по участку BC и при смещении ползунка D вправо (в сторону клеммы В) участок BC умень­шается и сопротивление реостата падает. Чем тоньше проволока, тем больше полное сопротивление реостата и меньше допустимый через него ток. На каждом реостате приводятся номинальное сопротивление и наибольший длительно допустимый ток.

Изменение силы тока и напряжения на нагрузке с помощью реос­тата происходит следующим образом. Пусть нагрузкой в цепи является электрическая лампочка (рис. 2). При увеличении сопротивления реостата увеличивается общее сопротивление цепи (R_общ), общий ток (I) уменьшается, следовательно, и ток через нагрузку, и напряжение на нем уменьшаются:

R_общ = R_н + R_реост , I = U/R_общ , U_н = I×R_н .

С

а) б)

Рис.2.

ледует помнить, что изменение тока в цепи не будет обратно про­­порционально изменению сопротивления реостата, так как в цепи кроме изменяющегося сопротивления реоста­та имеется неизменное сопротивление нагрузки. Только в тех случаях, когда R_реост >>R_н , общий ток, а, сле­довательно, и ток через нагрузку будет изменяться поч­ти обратно пропорционально сопротивлению реостата. При обратном соотношении сопротивлений (R_реост<<R_н) ток через нагрузку практически не будет изменяться при изменении сопротивления реостата.

Рассмотрим действие реостата с точки зрения изменения напряже­ния на нагрузке. Общее напряжение источника тока U_ист = U_н + U_pеост распределяется между реостатом и нагрузкой пропор­цио­наль­но их сопротивлениям U_н /U_pеост = R_н /R_pеост. Напри­мер, при уменьшении сопротивления реостата происходит пере­рас­пределение общего напряжения и при этом напряжение на нагрузке, а, следовательно, и ток через нее увеличиваются.

При выборе реостата наиболее важными параметрами цепи являются: напряжение источника тока, сопротивление нагрузки, а также допусти­мые значения тока и напряжения (или пределов изменения тока и напряжения) на нагрузке. Напряжение источника тока U_ист обычно известно. Сопротивление нагрузки, если оно не указывается не­посредст­венно, приходится рассчитывать, исходя из данных о номинальных параметрах потребителя (например, напряжения u_ном и мощности W_ном). Рассчитать реостат – значит, указать его номинальное сопротивление и номинальный ток. Рассмотрим два примера расчета и выбора реостата.

1. Если напряжение источника тока больше допустимого напряжения на нагрузке, реостат применяют как балластное сопротивление, и расчет его приведен в примере 1.

Пример 1. В сеть с напряжением 110 В требуется включить электрическую лампочку с параметрами 24 В; 12 Вт. Рассчитайте реостат, который обеспечит номинальный накал лампочки в данной цепи.

Найдем ток через лампочку при номинальном (нормаль­ном) накале. Поскольку мощность, выделяющаяся на лампочке, равна W = I×U:

I = W_ном /U_ном = 12 Вт/24 В = 0.5 А.

Такой же ток, т.е. 0.5 А, будет проходить и через реостат, так как лам­па и реостат соединены последовательно. Таким образом, номинальный ток реостата (I_{pеост/ном}) должен быть не меньше, чем 0.5 А. Так как ток в цепи не должен превышать 0.5 А, а общее напряжение составляет 110 В, то, очевид­но, что сопротивление всей цепи не может быть меньше, чем: R = U/I = 110 В/0.5 А = 220 Ом.

Цепь состоит из последовательно соединенных лампы и реостата, сле­до­вательно, общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдель­ных участков (R_общ = R_л + R_pеост). Сопротивление лампы можно рас­счи­тать, зная, например, что при номинальном напряжении на лампе 24 В, ток через нее равен 0.5 А. Сле­довательно, сопротивление лампы:

R_л = U_ном /I_ном = 24 B/0.5 А = 48 Ом.

Теперь можно найти и сопро­тивление реостата:

R_pеост = R_общ – R_л = 220 Ом – 48 Ом = 172 Ом.

Возможен и другой способ рассуждения.

Общее напряжение 110 В распределяется между лампой и реоста­том пропорционально их сопротивлениям:

u_л /u_pеост = r_л /r_pеост , а R_pеост = R_л ×U_pеост /U_л.

Напряжение на лампе должно быть 24 В, следовательно, на реостат будет приходиться: 110 В – 24 В = 86 В.

Сопро­тивление лампы можно рассчитать, используя формулу для мощности в виде W = U²/R:

R_л = U /W_л = (24 В)²/12 Вт = 48 Ом.

Получаем для сопротивления реостата R_pеост = 48 Ом×(86 В/24 В) = 172 Ом.

При этом ток через реостат: I_pеост = U_pеост /R_pеост = 86 В/172 Ом = 0.5 А.

Конечно, в лаборатории может не оказаться реостата с номинальными параметрами 172 Ом и 0.5 A. Следует выбирать реостат с большими значениями сопротивления и тока. В данном случае подойдут реостаты: 200 Ом, 1 А или 500 Ом, 0.6 А.

Причем, если выбрать реостат с парамет­рами 500 Ом, 0.6 А, то с по­мощью этого реостата можно (при необходимости) значительно уменьшить напряжение и ток через лампу по сравнению с номинальными. Так, при полностью введенном реостате (500 Ом), ток через лампу равен I_л = U_ист /(R_л + R_реост) = 110 В/(48 + 500) 0м = 0.20 А. При этом напряжение на лампе равно U_л= I_л×R_л = 0.20 А×48 Ом = 9.6 В.

2. Часто приходится рассчитывать реостаты для изме­нения силы тока на нагрузке в заданных пределах или в заданное число раз. В этом случае расчет реостата про­изводится следующим образом.

Пример 2. В сеть с напряжением 220 В требуется включить электрическую лампу с параметрами "220 В; 300 Вт". Рассчитайте реостат, с помощью которого можно было бы уменьшить силу тока в лампе в 2.5 раза ниже номинального.

Найдем ток, протекающий через лампу при номинальном режиме работы: I_л = Р_ном /U_ном = 300 Вт/220 В = 1.36 А. Сопротив­ление лампы при нормальном накале равно R_л = U ²/W = (220 B)²/300 Вт = 161 Ом.

При уменьшении тока в 2.5 раза получим: I_л = 1.36 А/2.5 = 0.54 А. При та­ком токе, об­щее сопро­тивление цепи будет: R_общ = 220 В/0.54 A = 407 Ом.

Считая, что сопро­тивление нагрузки не зависит от тока, протекаю­ще­го через нее, опре­делим сопротивление реостата: R_реост = 407 – 161 = 246 Ом.

При этом реостат должен выдерживать ток 1.36 А.

Е

Рис. 3.

сли тако­го реостата нет в лаборатории, следует взять два или несколько реоста­тов с меньшими сопротивлениями, которые выдержат пред­пола­гаемые токи и соединить их последо­ватель­но (рис. 3). В дан­ном случае это могут быть три реостата с параметрами "100 Ом, 2 А". Так как эти реостаты выдер­живают один и тот же ток (2 А), то при регу­лировании тока безразлично, который из них выводить первым, а который вторым. Если же в цепи стоят реостаты, имеющие различные допустимые токи, то сначала следует выводить реостаты с меньшими пределами по току, а затем (когда они будут полностью выведены и ток в цепи увеличится) начинать выводить реостаты с большим пределом по току. Вводить реостаты необходимо в обратном порядке.