Лабораторна робота № 306
Реостат І дільник напруги
Прилади й приналежності: джерело струму, два вольтметра, два миллиамперметра, реостат, навантажувальні резистори.
Вступ. Реостат - пристрій для регулювання струму або напруги в електричних ланцюгах шляхом зміни його опору. У різних реостатів опір можна змінювати або плавно, або східчасто.
Існує дві схеми включення реостатів.
1
2
Опір ползункових реостатов змінюється стрибкоподібно, а не абсолютно плавно. Величина стрибка опору дорівнює опору одного витка дроту, якою виконана обмотка реостата. Якщо потрібно більш плавне регулювання струму (напруги), в ланцюг включається другий реостатR2. опір якого в 10 ... 20 разів меньшеR. Схематонкой регулювання струму приведена на рис.3, схематонкого регулювання напруги - на рис.4.
Вправа 1. Реостат
Р
де R - опір всього реостата,
Rl - опір чинного участкаAD реостата длінойl,
RH - опір навантаження,
r - внутрішній опір джерела струму, Е - ЕРС джерела струму.
При переміщенні движка реостата D Ота кВ сопротівленіеRl буде змінюватися від нуля до наібольшегоR. а струм в ланцюзі -
від найбільшого
Знайдемо так звану кратностьрегулірованія токаK. яка, за визначенням, є відношення найбільшого струму до найменшого з їх діапазону його зміни:
З формули (2) видно, що межі регулювання струму реостата тим більше, чим більше відношення R / (RH + r). тобто чим більше опір реостата в порівнянні з опором навантаження (внутрішній опір джерела токаr. як правило, значно меньшеRH).
Якщо в електричний ланцюг включений регулюючий елемент (реостат), то хочеться, щоб межі регулювання струму були якомога більше. Однак можливість отримання великих K для реостата обмежена. Чим більше опір реостата, тим менше його допустимий (номінальний) робочий струм. Включивши такий реостат в ланцюг з потужним джерелом струму, можна спалити обмотку реостата. Справді, якщо його двіжокD знаходиться поблизу клеммиА. сила струму в колі визначається, в основному, величиною опору навантаження і якщо цей струм виявиться більше номінального струму реостата, то останній буде зіпсований. Крім того, в случаеRRH при наближенні двіжкаD до клеммеА скачки зміна струму стають все більшими. Отже, при виборі реостата доводиться враховувати і виконувати дві умови: 1) опір реостата має бути більше опору нагрузкіRRH. 2) найбільший струм навантаження не повинен перевищувати номінальний (допустимий для нормальної роботи) струм реостатаIнбIном.
Опис установки. Всі прилади, необхідні для проведення вимірювань, розміщені на лабораторної панелі: 1) реостат з лінійкою (сопротівленіеR = 1200 Ом, номінальний струм 0,5 А), 2) два вольтметра з межами вимірювання 15 В, 3) два миллиамперметра з межами 75 мА і 1,5 мА. Два резистора, що виконують роль навантаження, розміщені в підвалі панелі.
У першому випадку послідовно з навантаженням включається міліамперметр на 75 мА, в другому - на 1,5 мА.
1.Соберіте ланцюг з навантаженням RH1 = 120 Ом згідно зі схемою (рис.5). ТумблерВк під час складання повинен бути в розімкнутому положенні. Постійна напруга від лабораторної мережі підведено до клем з обозначеніем6 В.
2.Предложіте викладачеві перевірити правильність зібрання кола.
3.Вніманіе! Перш ніж включити тумблерВк. встановіть на реостатенаібольшее опір (двіжокD переміщений до клем).
4.Включіте напруга живлення тумблером Вк. Переміщаючи движок реостата в сторонууменьшенія опору, зніміть залежність напруги на входеU. напруги на нагрузкеUH і струму в цепіI (він же струм навантаження) від расстояніяl між движком реостатаD і клеммойА. відраховуючи його по лінійці. Такі вимірювання слід провести від 42 см до нуля приблизно через рівні проміжки 4 ... 5 см. Результати запишіть в табл.1.
Навантаження 120 Ом
Обробка результатів. 1.За даними табл.1 побудуйте окремо для кожного навантаження графіки залежності токаI і обох напряженійU іUH від довжини робочої ділянки реостатаl.
2.Вичісліте коефіцієнт кратності регулювання струму для тієї та іншої навантаження, беручи найбільше та найменше значення струму з табл.1. Зіставте результати з формулою (2).
Потенціóметр (дільник напруги)
Використання реостата в якості регулятора струму в ланцюзі, як було в упр.1, має істотний недолік. неможливо змінювати струм від найбільшого значення донуля. в той час як в цьому часто виникає необхідність. Від зазначеного недоліку можна позбутися шляхом включення реостата не послідовно, апараллельно навантаженні. Такий спосіб включення називаетсяпотенціометріческім. за що той же реостат, але в іншій якості, отримав назву потенціометра. Слід підкреслити, що потенціометр використовується, скоріше, не як регулятор струму, а какрегулятор напруги на навантаженні, причому в широких межах.
Розглянемо схему електричного кола (рис.6), в якій реостат працює як потенціометр (його також називають також дільником напруги).
До
- контурARHDRlA,
Вирішивши цю систему рівнянь, отримаємо струм навантаження.
Знаючи струм, можна обчислити напругу по закону Ома
Проаналізуємо отриманий результат (3). При переміщенні движка D від клеммиА до клем сопротівленіеRl збільшується від нуля до найбільшого -R. отже токIH і напряженіеUH збільшуються практично прямо пропорційно переміщенню двіжкаот нуля до деякого найбільшого значеніяIHнб. яке можна знайти, положівRl = R в вираженні (3).
Подивимося, яку частину ЕРС джерела становить цю напругу.
Як видно з отриманого виразу (4), напруга на навантаженні менше ЕРС джерела. Але у скільки разів? Це залежить від відносин r / RH іr / R.
1.Звичайно опір навантаження повинне бути істотно більше внутрішнього опору джерела струму, RHr .. До виконання цієї умови треба прагнути, щоб джерело працював з можливо більшим ККД.
2.Сопротівленіе потенціометра не повинно бути занадто малим, інакше він буде споживати від джерела занадто великий струм. Тому виникає друга умова: Rr.
Таким чином виходить, що за допомогою потенціометра на навантаженні можна встановити будь-яку напругу в діапазоні від нуля майже до ЕРС джерела струму: 0UHнбE. НапряженіеUHнб тим ближче до ЕРС джерела, чим сильніше неравенствоRr.
4. А яке співвідношення між опором навантаження RH і опором потенціометраR. Якщо вибрати потенціометр з великим опором, так чтоRRН. то таке рішення є помилковим, і ось чому. Дійсно, нехай движок потенціометра знаходиться поблизу клем (рис.6). Тоді великий струм навантаження пройде через участокDB потенціометра, що має малий опір, в результаті джерело струму виявиться замкненим на мале сумарний опір, що спричинить протікання за вказаною ділянці значного струму, який може виявитися вище номінального і привести до перегорання цього фрагмента обмотки потенціометра.
Отже, для нормальної роботи реостата в якості потенціометра повинні битьвиполнени следующіенепременниеусловія:
З цих нерівностей випливає можливість застосування потенціометрів тільки в малопотужних ланцюгах, про що згадувалося на с.1. Потужність, споживана від джерела струму, розподіляється між навантаженням і потенціометром обернено пропорційно їх опорам, P = U2 / R. Бажаючи передати навантаженні большýю потужність, ще більшу потужність ми змушені витрачати на потенціометр, так як його опір менше. Тому такий спосіб регулювання застосовується в слабкострумових ланцюгах, наприклад в радіоелектроніці.
Вимірювання. 1.Соберіте електричний ланцюг відповідно до схеми (рис.6), використовуючи в якості потенціометра той же реостат з лінійкою і нагрузкуRH1.
Увага! Перед початком вимірювань движок реостата повинен знаходитися близько клеммиА!
2. Після перевірки ланцюга викладачем включите тумблер Вк.
3.Сніміте залежність струму навантаження IH. напруги нагрузкіUH і вхідного напряженіяU від положення двіжкаl. переміщаючи його від клеммиА до клеми від 0 до 42 см приблизно через рівні інтервали 4 ... 5 см. Результати вимірювань запишіть в табл.2.
ЕРС джерела струму Е =
5.Ізмерьте і запишіть в табл.2 вихідна напруга джерела струму при розімкнутому зовнішньому ланцюзі. Його величина близька до ЕРС джерела Е.
Обробка результатів. 1.За даними табл.2 побудуйте графіки залежності виміряних велічінIH, UH і U від положення двіжкаl (окремо для кожного навантаження).
2.Вичісліте внутрішній опір джерела за формулою (4) для RH1.
3.Посмотріте в таблиці вимірювань, який найбільший струм протікав по навантаженню і за яких умов? Чи не небезпечно це для використовуваного реостата? Порівняйте його з номінальним струмом реостата. Дайте письмовий висновок з цих питань.
1.Фізичні енциклопедичний словник. М. Сов. енциклопедія, 1965. Т.4, с.435-437.
2.Джанколі Д. Фізика. М. Світ, 1989. Т.2, гл. 27.
Для продовження скачування необхідно зібрати картинку: