3. Реостат

Определения и обозначения

Реостат — прибор с переменным электрическим сопротивлением, предназначенный для регулирования силы тока в цепи. Его сопротивление можно менять во время работы цепи, поэтому реостат используют там, где ток нельзя оставить постоянным.

Ползунок — подвижный контакт реостата, соединённый с выбранной точкой проволоки. При его перемещении меняется длина проволоки, через которую проходит ток, поэтому ползунок управляет сопротивлением.

Сопротивление реостата — сопротивление рабочего участка проволоки между используемым выводом и ползунком. Именно этот участок включён в цепь, поэтому его длина определяет, насколько реостат уменьшает или ограничивает ток.

Условное обозначение реостата — графический знак переменного сопротивления с подвижным контактом на электрической схеме. По нему можно понять, что сопротивление элемента изменяется при перемещении ползунка.

Как это устроено

Рабочую часть реостата делают из длинной проволоки с большим удельным сопротивлением. Удельное сопротивление показывает, насколько сильно материал препятствует току при одинаковых размерах проводника. Большое значение позволяет получить заметное сопротивление на сравнительно небольшой длине, а длинная проволока даёт возможность изменять его плавно.

Проволоку наматывают на изолирующий каркас, потому что соседние витки не должны соединяться друг с другом. Если бы витки соприкасались электрически, часть проволоки оказалась бы обойдена током и её длина не участвовала бы в сопротивлении. Каркас также удерживает проволоку и помогает сделать прибор компактным.

Ползунок разделяет проволоку на два участка, но в цепь обычно включают только участок от одного крайнего вывода до ползунка. Когда ползунок удаляется от этого вывода, длина рабочего участка увеличивается. Поэтому сопротивление растёт; при движении к выводу длина и сопротивление уменьшаются.

В последовательной цепи один и тот же ток проходит через лампу и реостат. По закону Ома I = U/R, поэтому при постоянном напряжении увеличение общего сопротивления уменьшает силу тока. Если сопротивление реостата уменьшить, общее сопротивление станет меньше, а сила тока возрастёт.

Реостат включают последовательно, чтобы весь ток нагрузки проходил через его рабочий участок и изменялся вместе с его сопротивлением. Для регулирования используют один крайний вывод и ползунок; два крайних вывода включают всю проволоку и лишают ползунок управляющей роли. На схеме направление изменения определяют так: сначала находят используемый крайний вывод, затем выясняют, приближает движение ползунка к нему или удаляет от него.

Изменение работы реостата при перемещении ползунка

Для чтения таблицы сначала определите, к какому выводу подключена цепь. Затем сравните новое положение ползунка с этим выводом: приближение уменьшает сопротивление, удаление увеличивает его. Крайнее положение даёт минимум или максимум в зависимости от того, у какого вывода оказался ползунок.

Разбор задач

Увеличение сопротивления реостата

В цепи источник тока и лампа соединены последовательно с реостатом. Сопротивление реостата увеличили. Нужно определить, как изменится яркость лампы.

1. При последовательном соединении общее сопротивление цепи увеличивается вместе с сопротивлением реостата.
2. Напряжение источника считаем постоянным и применяем закон Ома: I = U/Rобщ. При росте Rобщ сила тока уменьшается.
3. Через лампу проходит тот же ток, что и через реостат, поэтому уменьшение тока означает уменьшение мощности лампы.

Ответ: лампа будет светить слабее. Сила тока в цепи уменьшится.

Выбор направления движения ползунка

Реостат подключён к одному крайнему выводу и ползунку. Нужно увеличить силу тока. Направление движения следует определить относительно используемого крайнего вывода, а не просто по рисунку слева или справа.

1. Чтобы ток увеличился, нужно уменьшить сопротивление реостата.
2. Сопротивление уменьшается, когда сокращается участок проволоки между выводом и ползунком.
3. Значит, ползунок надо переместить к тому крайнему выводу, к которому подключена цепь.

Ответ: ползунок перемещают к используемому крайнему выводу. Тогда длина рабочего участка и сопротивление уменьшатся, а сила тока увеличится.

Расчёт силы тока

Напряжение источника равно 12 В, сопротивление лампы — 4 Ом. Реостат сначала имеет сопротивление 2 Ом, а затем 8 Ом. Все элементы соединены последовательно, поэтому нужно найти общее сопротивление в каждом случае.

1. В первом случае Rобщ = 4 Ом + 2 Ом = 6 Ом, поэтому I₁ = 12 В / 6 Ом = 2 А.
2. Во втором случае Rобщ = 4 Ом + 8 Ом = 12 Ом, поэтому I₂ = 12 В / 12 Ом = 1 А.
3. Сравниваем результаты: при увеличении сопротивления реостата с 2 до 8 Ом сила тока уменьшилась в 2 раза.

Ответ: при сопротивлении 2 Ом сила тока равна 2 А, а при сопротивлении 8 Ом — 1 А. Увеличение сопротивления уменьшило ток на 1 А.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что реостат сам по себе регулирует напряжение. На самом деле он изменяет сопротивление цепи, а уже из-за этого при заданном напряжении меняется сила тока. Проверьте себя: сначала запишите I = U/Rобщ и укажите, какая величина изменяется непосредственно.

Ошибка: подключить реостат к двум неподвижным выводам. В этом случае в цепь входит вся проволока, и движение ползунка не меняет рабочий участок. Проверьте схему: среди подключённых контактов должны быть один крайний вывод и ползунок.

Ошибка: включить реостат параллельно лампе вместо последовательного соединения. Тогда ток разделяется между ветвями, и изменение сопротивления не управляет током лампы так, как требуется. Проверьте, проходит ли один и тот же ток через лампу и реостат.

Ошибка: сразу установить минимальное сопротивление или двигать ползунок при слишком большом токе. Это может вызвать перегрев проводов, лампы и самого реостата. Начинайте с большего сопротивления и контролируйте, не превышен ли допустимый ток.

Связь с другими темами

Для понимания работы реостата нужны знания об электрическом токе, напряжении, сопротивлении и законе Ома. Также важно уметь находить общее сопротивление последовательно соединённых проводников.

Реостаты применяют для регулирования яркости ламп, скорости электродвигателей и силы тока в различных цепях. Во всех случаях используется одна идея: изменение сопротивления меняет ток.

Эта тема подготавливает изучение переменных резисторов и делителей напряжения. Она также помогает выполнять практические измерения тока и напряжения в электрических цепях.

Что запомнить

• Реостат — прибор для плавного регулирования силы тока.
• Работа реостата основана на изменении длины включённого участка проволоки.
• Чем длиннее включённый участок проволоки, тем больше сопротивление реостата.
• При последовательном включении увеличение сопротивления реостата уменьшает силу тока.
• Реостат подключают последовательно, используя один крайний вывод и ползунок.
• На электрической схеме реостат обозначают как переменное сопротивление с подвижным контактом.