Реостаты и управление сопротивлением в электрических цепях

Применение регулируемых резисторов и методы ограничения силы тока являются фундаментом экспериментальной электротехники. Физические свойства проводников позволяют гибко управлять параметрами электрической цепи, обеспечивая стабильную работу лабораторного оборудования, измерительных приборов и технологических установок.

1. Назначение и классификация реостатов в электрических цепях. Основное функциональное назначение электрического сопротивления заключается в ограничении и плавной регулировке силы электрического тока в цепи. В практике физического эксперимента и технической эксплуатации элемент, предназначенный для изменения сопротивления, выполняет роль реостата.

В зависимости от конструктивного исполнения и физической среды прохождения тока выделяют следующие ключевые разновидности реостатов:
1. Водяной реостат (ссылки на механизмы см. Рис. 211 и Рис. 212) — использует ионную проводимость жидкой среды для плавного изменения общего сопротивления.

2. Реохорд (см. Рис. 232) — калиброванный проволочный проводник с подвижным контактом, позволяющий точно задавать величину сопротивления пропорционально длине активного участка.

3. Агометр — прибор для точного изменения сопротивления путем наматывания или сматывания проволоки с изолирующего барабана.

4. Лабораторные и демонстрационные реостаты (Рис. 272, Рис. 273) — проволочные устройства с ползунковым или коммутаторным механизмом переключения.

Рис. 271. Электролитическая проводимость стекла.

При исследовании электролитических свойств материалов важно учитывать температурную зависимость проводимости. Как показано на Рис. 271, нагревание стекла приводит к появлению ионной проводимости, что демонстрирует переход диэлектрика в состояние проводника при высоких температурах.

Рис. 272. Реостат: I — с подвижным контактом (ползунком); II — реостат для школьных лабораторных работ.

Конструктивные варианты реостатов (Рис. 272) включают устройства с линейным перемещением подвижного контакта (ползунка) по намотанной на изолирующий каркас проволоке. Такое устройство обеспечивает высокое разрешение настройки сопротивления.

2. Конструктивные особенности и параметры проволочных реостатов. Реостаты различной конструкции — ламповые, проволочные с ползунком (Рис. 272) или с коммутатором (Рис. 273) — обеспечивают изменение сопротивления плавно или дискретными ступенями (скачками). Величина сопротивления участка проволоки напрямую определяется её геометрическими и материальными параметрами согласно базовому закону:

R = ρ · (l / S)

где ρ — удельное электрическое сопротивление материала, l — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения.

Рис. 273. Реостат демонстрационный с коммутатором.

Рассмотрим демонстрационный реостат производства Главучтехпрома (Рис. 273). Данный прибор имеет полное общее сопротивление 10 Ом и состоит из 20 спиралей. Каждая пара спиралей имеет суммарное сопротивление 1 Ом. Спирали изготовлены из константановой проволоки, обладающей крайне низким температурным коэффициентом сопротивления. Диаметр проволоки первых пяти пар составляет 1 мм, а остальных пар — 0,8 мм.

Тепловой режим и предельная нагрузка. К любым типам реостатов предъявляется важнейшее техническое требование: электрическая мощность, поглощаемая устройством и превращаемая в теплоту, должна эффективно рассеиваться в окружающую среду. Перегрев проводника выше допустимой критической температуры недопустим, так как это ведет к разрушению изоляции или расплавлению жилы.

Материал проволоки (например, константан, никелин или манганин) выбирается так, чтобы изменение температуры оказывало минимальное влияние на её удельное сопротивление. На корпусе каждого фабричного реостата указываются два основных параметра:
- Номинальное сопротивление (в Омах, Ом).
- Предельно допустимая сила тока (в Амперах, А).

Например, маркировка «20 Ом, 3 А» указывает на то, что максимальное сопротивление реостата равно 20 Ом, а пропускание тока силой свыше 3 А запрещено во избежание недопустимого нагрева. При самостоятельной сборке проволочных реостатов следует руководствоваться нормативно-справочными таблицами удельного сопротивления и допустимых токовых нагрузок.

Для предотвращения разрыва цепи при коммутации ступенчатых реостатов под током рекомендуется использовать однополюсные штепсели или закороченные штепсельные вилки с соответствующими гнездами (Рис. 275). Недостаток некоторых коммутаторных схем заключается в краткосрочном прерывании тока во время переключения контакта между позициями.

3. Схемы включения: последовательное соединение, шунтирование и потенциометр. Способ интеграции реостата в электрическую цепь определяется поставленной инженерной или исследовательской задачей.

Рис. 274. Включение реостатов последовательно.

Последовательное включение и шунтирование. Обычно сопротивление включается в цепь последовательно с нагрузкой или измерительным прибором (Рис. 274). Параллельное соединение (шунтирование) применяется в тех случаях, когда необходимо уменьшить силу тока, протекающего через конкретный прибор, не ограничивая при этом общий ток в основной цепи. Это стандартный метод расширения пределов измерения измерительных приборов — амперметров и гальванометров.

Практический пример шунтирования: если необходимо обеспечить штатное горение двух последовательно соединенных ламп накаливания на напряжение 110 В различной мощности (например, 300 Вт и 400 Вт) от сети напряжением 220 В, менее мощную лампу (40 Вт) шунтируют проволочным реостатом. Изменяя положение ползунка от минимального сопротивления вверх, добиваются равенства рабочих токов и нормального накала обеих ламп.

Рис. 275. Детали самодельного проволочного реостата.

Рис. 276. Схемы включения сопротивления как потенциометра.

Делитель напряжения (потенциометр). Сопротивления могут использоваться в качестве делителей напряжения (потенциометров), как показано на Рис. 276. Данная схема применяется, когда на нагрузку требуется подать строго определенное напряжение от нуля до максимума U_max, равного напряжению источника питания.

При потенциометрическом включении сопротивление полностью подсоединяется к полюсам источника тока, а нагрузка снимается с одного из полюсов и подвижного контакта. Для минимизации бесполезного расхода энергии на нагрев общее сопротивление потенциометра выбирают достаточно высоким.

4. Экспериментальное исследование и проверка законов последовательного соединения. Для демонстрации законов электрических цепей и закономерностей последовательного соединения проводников используется лабораторная установка с источником тока, измерительными приборами и набором сопротивлений.

Демонстрация падения силы тока. В качестве приемников тока могут применяться одинаковые лампы накаливания на напряжение 120 В или проволочные спирали.

Рис. 277. Измерение силы тока при последовательном соединении.

При последовательном подключении одной, двух, трех или четырех ламп к источнику питания демонстрационный амперметр фиксирует закономерное падение силы тока (Рис. 277). Это свидетельствует о том, что суммарное сопротивление цепи возрастает по мере увеличения количества последовательно включенных элементов.

Относительную силу тока можно также наглядно оценивать по степени накала нитей ламп. Однако использовать лампы накаливания для точной количественной проверки формул сопротивления нельзя: нить накала из вольфрама имеет высокий температурный коэффициент, и её сопротивление существенно меняется в зависимости от протекающего тока.

Точная проверка законов эквивалентного сопротивления. Для строгой экспериментальной проверки формул последовательного соединения:

R = r₁ + r₂ + r₃ (Формула 1)

R = n · r (Формула 2, для n одинаковых сопротивлений)

необходимо использовать проводники с минимальным температурным коэффициентом сопротивления (например, катушки из никелина или константана).

Рис. 278. Измерение силы тока при параллельном соединении.

Рис. 279. Монтаж сопротивления.

Для проведения измерений применяют метод амперметра-вольтметра или измерительный мост Уитстона. Измеряют сопротивление каждого отдельного элемента, а затем сопротивление всей группы при различных вариантах соединений. Проводники монтируют в виде спиралей на колодках (Рис. 279) или используют стандартный магазин сопротивлений. Экспериментальные данные подтверждают справедливость Формул (1) и (2) в пределах погрешности измерительных приборов.

Регулируемые и постоянные сопротивления проволочного и непроволочного типа остаются важнейшими компонентами электротехники, радиотехники и измерительной электроники, обеспечивая точное распределение потенциалов и токов в цепях любой сложности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.