Лабораторная работа № 9 Регулирование силы тока в цепи с помощью реостата

Определения и обозначения

Реостат — переменный резистор, сопротивление которого можно изменять, чтобы регулировать силу тока в цепи. Переменный резистор отличается тем, что его сопротивление не задано раз и навсегда. Реостат нужен, когда требуется увеличить или уменьшить ток без замены элементов цепи. В работе его действие проверяют по показаниям амперметра.

Подвижный контакт — часть реостата, которую можно перемещать вдоль проволоки. При движении контакта меняется часть проволоки, включённая в электрическую цепь. Поэтому контакт служит для изменения сопротивления реостата. Его положение можно сопоставить с показанием амперметра.

Сила тока — физическая величина, показывающая, насколько интенсивно электрический заряд проходит через цепь. Её измеряют амперметром, включённым в цепь последовательно. В опыте измерения нужны, чтобы сравнить ток при разных положениях контакта. Единица силы тока — ампер.

Рабочий участок реостата — часть проволоки между подключённым неподвижным зажимом и подвижным контактом. Именно эта часть включена в цепь и оказывает сопротивление току. Если контакт передвинуть, длина рабочего участка изменится. Это понятие помогает предсказать, в какую сторону изменится ток.

Как это устроено

Реостат включают последовательно с потребителем и амперметром. При последовательном соединении заряд проходит через все элементы один за другим, поэтому через них течёт один и тот же ток. Благодаря этому амперметр показывает ток и в потребителе, и в реостате. Если подключить амперметр иначе, он не будет правильно измерять ток этой цепи, а подключение параллельно может быть опасным для прибора.

К реостату присоединяют один неподвижный зажим и подвижный контакт. Неподвижный зажим задаёт начало включённого участка, а контакт — его конец. Когда контакт перемещают, меняется число витков проволоки, через которые проходит ток, то есть длина рабочего участка. Если подключить два неподвижных зажима, перемещение контакта не будет менять включённую часть проволоки, и регулировка не сработает.

Чем длиннее рабочий участок проволоки, тем больше его сопротивление. Это связано с тем, что току приходится проходить по более длинному пути в проволоке. При неизменном напряжении источника увеличение сопротивления приводит к уменьшению силы тока: цепи становится труднее проводить ток. Значит, если передвинуть контакт так, чтобы рабочая проволока стала длиннее, амперметр должен показать меньшую силу тока.

Перед замыканием цепи устанавливают наибольшее сопротивление реостата. Тогда в начальный момент сила тока будет ограничена, что снижает риск повредить амперметр, лампу или другие элементы. Для этого движок устанавливают в крайнее положение, соответствующее максимальной длине включённой проволоки. Перед включением стоит проверить схему и положение движка, а не полагаться только на то, что контакты соединены.

Во время опыта движок перемещают и для каждого положения считывают показание амперметра. Одновременно отмечают, какой длине рабочего участка соответствует положение контакта. Затем измерения заносят в таблицу и сравнивают: длинному участку должно соответствовать большее сопротивление и, при прежнем напряжении, меньший ток. Несколько измерений помогают проверить закономерность, а не делать вывод по одному случайному показанию.

Изменение силы тока при перемещении контакта реостата

Для каждого положения контакта внеси в строку длину включённого участка и показание амперметра. Сопротивление можно записать по результатам наблюдения: при большей длине проволоки оно больше. По заполненным строкам проверь, действительно ли при росте сопротивления сила тока становится меньше.

Разбор задач

Сборка цепи и подготовка к включению

Условие. Нужно собрать цепь из источника тока, лампы, амперметра и реостата. Следует указать порядок включения элементов и начальное положение движка. Здесь важно и правильно измерить ток, и не допустить его чрезмерного значения при первом включении.

1. Соедини источник тока, амперметр, лампу и реостат последовательно, чтобы один и тот же ток проходил через каждый элемент. Амперметр включи с соблюдением полярности: его положительный зажим соединяют со стороной цепи, обращённой к положительному полюсу источника. Проверь, что цепь пока разомкнута.
2. К реостату подключи один неподвижный зажим и подвижный контакт. Перед замыканием передвинь контакт в положение, при котором длина рабочего участка и сопротивление наибольшие. Такая настройка ограничит начальный ток.

Ответ. Элементы соединяют последовательно, амперметр подключают с правильной полярностью, а движок сначала устанавливают на максимальное сопротивление. После проверки схемы цепь можно замкнуть.

Увеличение длины рабочего участка

Условие. При перемещении движка длина рабочего участка проволоки увеличилась. Напряжение источника остаётся прежним; нужно предсказать, как изменится сила тока. Для ответа проследим две последовательные связи: между длиной и сопротивлением, затем между сопротивлением и током.

1. Более длинная проволока оказывает большее сопротивление, потому что току нужно пройти по большему участку. Значит, после перемещения движка сопротивление реостата стало больше. Остальные условия цепи, в том числе напряжение, не изменились.
2. При неизменном напряжении рост сопротивления уменьшает силу тока. Поэтому показание амперметра должно стать меньше, чем до перемещения контакта. Если оно выросло, нужно проверить выбранное направление движения и соединение цепи.

Ответ. Сила тока уменьшится, поскольку увеличение длины рабочего участка повышает сопротивление реостата.

Сравнение трёх показаний

Условие. В трёх положениях движка амперметр показал разные значения силы тока. Нужно сопоставить положения по сопротивлению и объяснить измерения. Само название положения не говорит, где сопротивление больше: нужно учитывать длину включённой проволоки.

1. Сравни длины рабочих участков в трёх положениях. Самому длинному участку соответствует наибольшее сопротивление, а самому короткому — наименьшее. Если длины не записаны, определи их по положению контакта и подключённого неподвижного зажима.
2. Сопоставь длины с показаниями амперметра. При неизменном напряжении там, где сопротивление больше, сила тока должна быть меньше; где сопротивление меньше — ток больше. Так можно проверить, согласуются ли измерения с ожидаемой зависимостью.

Ответ. Наибольшее сопротивление соответствует самому длинному рабочему участку и должно давать наименьшую силу тока. Если таблица показывает обратное, проверь измерения, соединения и постоянство напряжения источника.

Типичные ошибки

Амперметр иногда включают параллельно реостату или потребителю, потому что путают его с прибором для измерения напряжения. Но амперметр должен измерять ток, проходящий через элемент, поэтому его включают последовательно. Для самопроверки проследи путь тока: он должен пройти через амперметр и потребитель один за другим. Перед включением также проверь полярность прибора.

Другая ошибка — присоединить к реостату два неподвижных зажима вместо неподвижного зажима и подвижного контакта. Так можно подключить проволоку, но перемещение движка не будет менять длину включённого участка. Это происходит, если не проследить, какие именно части реостата соединены с цепью. Проверь себя перемещением контакта на разомкнутой цепи: рабочий участок должен меняться.

Начинать опыт с наименьшего сопротивления опасно: тогда ток при замыкании цепи может оказаться слишком большим для прибора или элементов. Иногда так делают, чтобы сразу получить заметное показание, но сначала нужно обеспечить безопасное включение. Перед замыканием установи движок на максимальное сопротивление и проверь положение по длине включённой проволоки. После этого цепь можно включать и регулировать.

При увеличении длины рабочего участка некоторые ожидают увеличения силы тока, представляя, что длиннее проволока — больше проводника для тока. Однако длинный участок имеет большее сопротивление, а при прежнем напряжении большему сопротивлению соответствует меньший ток. Чтобы проверить направление изменения, сначала сравни длину и сопротивление, затем сделай вывод о токе. Показания амперметра должны подтверждать эту последовательность.

Связь с другими темами

Для выполнения опыта нужно уметь собирать последовательную электрическую цепь и изображать её элементы на схеме. Это помогает заранее проверить, через какие приборы проходит ток. Ошибки в соединении могут помешать и измерению, и регулировке.

Работа опирается на умение измерять силу тока амперметром. Нужно помнить, что амперметр включают последовательно и соблюдают полярность его зажимов. Эти правила применяются при измерениях в разных электрических цепях.

Наблюдения с реостатом подготавливают к изучению закона Ома и электрических цепей. Они показывают на опыте, как изменение сопротивления влияет на силу тока при постоянном напряжении. Та же связь помогает объяснять работу других элементов цепи.

Что запомнить

• Реостат изменяет сопротивление цепи.
• Реостат включают последовательно с потребителем.
• Для регулирования используют подвижный контакт и один неподвижный зажим.
• Чем длиннее рабочий участок проволоки, тем больше его сопротивление.
• При неизменном напряжении увеличение сопротивления уменьшает силу тока.
• Перед замыканием цепи устанавливают наибольшее сопротивление реостата.
• Амперметр включают последовательно и соблюдают полярность.