Что делает реостат в электрической цепи

Реостат. Принцип действия, устройство, применение, обозначение реостата

Реостат — это переменный резистор, электрическое сопротивление которого между его подвижным контактом и выводами резистивного элемента можно изменять механическим способом (определение согласно ГОСТ 21414-75).

Реостат — это тип потенциометра с двумя выводами вместо трех. Является так называемым элементом управления в электрических цепях.

Важным преимуществом реостата является то, что его можно использовать для изменения электрического сопротивления в цепи без её разрыва.

Принцип действия и устройство реостата

Из любого учебника физики за 8 класс нам известно, что принцип действия реостата основан на законе Ома для участка цепи, а именно электрический ток, протекающий через цепь, изменяется в зависимости от уровня сопротивления, с которым он сталкивается при неизменном напряжении источника. Низкое сопротивление означает высокий электрический ток, так как ничто не препятствует току, а высокое сопротивление означает низкий электрический ток. Это свойство электрических цепей может быть использовано для настройки характеристик цепи в соответствии с конкретными требованиями.

При этом, сопротивление материала проводника (скажем, проволоки) зависит линейно от её длины и обратно пропорционально площади поперечного сечения, то есть верна формула: R = (ρ * l) / S, где

Таким образом, если площадь поперечного сечения остается постоянной, увеличение длины увеличивает сопротивление. Как показано на рисунке 1, ползунок реостата перемещается с помощью резистивного элемента. Он перемещается в 2 направлениях (туда/обратно). Соответственно изменяется эффективная длина. По мере продвижения ползунка к выходному выводу эффективная длина уменьшается, вызывая падение сопротивления и увеличение силы тока.

В простейшем типе реостата используется керамический цилиндр с намотанной по всей длине стальной проволокой (или другим материалом/сплавом с большим удельным сопротивлением), причем эта проволока имеет постоянное поперечное сечение по всей длине. Проволока покрыта тонким слоем не проводящей ток окалины, поэтому витки её изолированы друг от друга.

Над обмоткой расположен металлический стержень, по которому может перемещаться ползунок (подвижный контакт). Своими контактами он прижат к виткам обмотки.

Слой окалины с проволоки снимается в результате трения контактов ползуна о витки обмотки. Электрический ток от витков проволоки через контакты ползунка течет в стержень.

Из конструктивных особенностей нужно ещё отметить, что внутри реостат всегда полый. Это необходимо, поскольку при протекании электрического тока реостат нагревается, а эта полость обеспечивает быстрое охлаждение.

Ползунок можно перемещать вдоль стержня, чтобы создать бо́льшее или ме́ньшее сопротивление в электрической цепи. При изменении положения ползунка реостата изменяется длина той части обмотки, через которую проходит ток — а вследствие этого изменяется и сопротивление реостата. То есть, увеличение длины проволочного стержня создает бо́льшее сопротивление, что приводит к уменьшению тока, протекающего через цепь, а уменьшение — наоборот, создает ме́ньшее сопротивление, что приводит к увеличению силы тока в цепи.

Рисунок 1. Общая структура простого ползункового реостата

Каждый реостат рассчитан на определённое сопротивление и на наибольшую допустимую силу тока, превышать которую не следует, так как обмотка реостата накаляется и может перегореть. Сопротивление реостата и наибольшее допустимое значение силы тока указаны на реостате.

Кто изобрел реостат?

Разработка реостата иногда приписывается Чарльзу Уитстону, британскому изобретателю XIX века, который, помимо прочего, привнес в науку ряд открытий, связанных с электричеством. Уитстон, безусловно, работал с электрическими цепями и многое узнал о электрическом сопротивлении и о том, как им можно манипулировать в процессе работы. Основные конструкции реостатов, разработанные в то время, используются и сегодня.

Реостат на основе рисунка Чарльза Уитстона

Где применяются реостаты?

Основное предназначение реостата — это регулировка силы тока в электрической цепи.

Существуют различные типы реостатов, но в технике, например в электротранспорте, регулировка силы тока реостатами вытесняется другими, более выгодными электронными регуляторами, полупроводниковыми элементами и потенциометрами. Дело в том, что, изменяя силу тока в цепи, реостат нагревается, на что расходуется значительная энергия. При большом значении силы тока проволока реостата может перегреться и реостат перестанет работать. В электронных регуляторах эти потери в сотни раз меньше.

• Реостат обычно используется в областях, где требуется высокое напряжение или ток. Микроволновая печь, холодильник, миксер, вентилятор, электроинструменты и т.д.
• В светорегуляторах реостаты используются для изменения интенсивности света. Если увеличить сопротивление реостата, через лампочку будет протекать меньший электрический ток, и яркость света уменьшится. Аналогично, если мы уменьшаем сопротивление реостата, через лампочку протекает больше электрического тока, и яркость света увеличивается.
• Реостаты используются для увеличения или уменьшения скорости вращения электродвигателя.
• Он используется в переключателях, с помощью которых устанавливается температура на электроплитах. Он используется во всех устройствах, аналогичных кухонным приборам, которые имеют нагревательные элементы, температура которых должна быть увеличена или уменьшена.
• Он используется для увеличения или уменьшения громкости в таких устройствах, как телевизор, радио.

Почему реостат нужно подключать последовательно в электрическую цепь?

Чтобы подключить реостат в цепь, мы должны подключить его последовательно, а не параллельно. Электрический ток, как известно, течет по пути с наименьшим сопротивлением. Поэтому, когда возникает выбор между путём с меньшим сопротивлением и путём с бо́льшим сопротивлением, он всегда выбирает меньший.

Реостат, как мы уже знаем, — это устройство с переменным значением сопротивления. Когда мы подключаем его к параллельному пути, этот путь приобретает немного бо́льшее сопротивление, чем другой доступный путь. Когда в электрический цепи течет ток, электроны никогда не выбирают параллельный путь, а текут прямо по последовательному пути. Поэтому реостат вообще не будет работать в таком случае.

Как обозначается реостат на схемах?

Реостат на схемах обозначается как резистор со стрелкой. При таком обозначении легко понять, что при движении ползунка вправо сопротивление реостата уменьшится, а при движении влево – увеличится.

В тоже время нужно знать, что международная электротехническая комиссия (IEC) определила другой символ для обозначения реостатов:

Прямоугольник обозначает сопротивление, а стрелка – то, что его можно изменять.

Источник

Реостат и методы его включения

Реостат — это металлический проводник с регулируемой величиной сопротивления. Реостат со скользящим контактом представляет собой цилиндр из изолирующего материала, на который намотана металлическая проволока. Концы ее присоединены к двум клеммам. Третья клемма реостата присоединена к скользящему контакту. Реостат в цепи может быть использован как регулятор тока, т.е. для изменения тока (рис.4.6),

когда провода цепи присоединяют к клемме, связанной со скользящим

контактом, и к одной клемме, связанной с обмоткой. Реостат с подвижным контактом может работать в режиме потенциометра (делителя напряжения). Это включение показано на рис.4.7.

указать плюс и минус!

При этом используются все три клеммы. Напряжение питания U подается к концам обмотки всего реостата. Далее снимается и подается потребителю напряжение U₁, которое составляет лишь часть величины U, приблизительно пропорциональную сопротивлению реостата между точками в и с, т.е.

; (4.7)

Изменяя положение движка С, можно менять снимаемое напряжение U₁, приближаясь либо к U (точка С совпадает с а), либо к нулю (точка с совпадает с в).

Для каждого резистора должны быть известны его электрические параметры, определяющие рациональные условия его эксплуатации. Таковыми являются: значение электрического сопротивления R и предельно допустимая величина тока. При превышении тока выделяющаяся в резисторе энергия может привести к его перегреву в каком-либо участке, расплавлению, а следовательно разрыву цепи.

Для реостатов с подвижным контактом указывают величину сопротивления всей обмотки и предельный ток.

Для радиотехнических резисторов указывают величину сопротивления и максимальную рассеиваемую мощность.

Характеристики источников тока

Каждый источник тока имеет следующие характеристики, определяющие условия его рационального использования: электродвижущая сила, или ЭДС  и внутреннее сопротивление r.

Электродвижущая сила источника тока  — это величина, измеряемая отношением работы, затрачиваемой сторонними силами на перемещение заряда по замкнутой цепи, к величине этого заряда, т.е.:

(4.8)

ЭДС измеряется в вольтах (В).

Внутреннее сопротивление источника r определяет проводящие свойства той среды, которая имеется внутри источника.

Закон Ома для замкнутой цепи.

Замкнутая цепь содержит: источник тока, сопротивления (потребители тока), прибора, контролирующие характеристики тока, провода, ключ. Примером может служить цепь, приведенная на рис.4.5. По отношению к источнику тока можно выделит внешнюю цепь, содержащую элементы, находящиеся вне данного источника, если проследить за током от одной его клеммы до другой, и внутреннюю, к которой относят проводящую среду внутри источника обозначим сопротивление внешней цепи через R, внутреннее сопротивление источника г. Тогда ток в цепи определяется по закону Ома для замкнутой цепи, который гласит, что ток в замкнутой цепи прямо пропорционален величине ЭДС  — обратно пропорционален сумме внутреннего и внешнего сопротивления цепи, т.е.

(4.9)

Из этого закона вытекают следующие частные случаи:

1) Если R стремится к нулю (т.е. R > r) ток i уменьшается и падение напряжения внутри источника ir становится

намного меньше iR, следовательно . Значит, величину ЭДС источника можно практически измерить с помощью вольтметра, присоединенного к клеммам источника при условии, что сопротивление вольтметра R_v >> r при разомкнутой внешней цепи.

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Разветвленной считают цепь, в которой можно выделить два или более узла. Узлом называется точка, в которой сходятся более чем два проводника (рис. 4.8, точки 3; 6). К таким цепям применимы правила Кирхгофа, позволяющие провести полный расчет цепи, т.е. определить токи в каждом проводнике.

иправить r3

Первое правило Кирхгофа гласит: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю, т.е. .

При этом токи, текущие к узлу, берутся со знаком плюс, а токи, текущие от узла — со знаком минус, или наоборот.

Второе правило Кирхгофа гласит: в любом замкнутом контуре, ПРОИЗВОЛЬНО выбранном в разветвленной цепи проводников, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков цепи равна алгебраической сумме ЭДС в этом

контуре, т.е.

Для составления уравнений по второму правилу Кирхгофа необходимо иметь в виду следующие правила:

1. Произвольно выбирается направление обхода контура (по часовой стрелке или против).

2. Произвольно выбираются и обозначаются направления токов во всех участках цепи, причем в пределах одного участка (т.е. между соседними узлами) ток сохраняется как по величине, так и по направлению.

3. Если выбранное направление обхода контура совпадает с направлением тока, то произведение тока на сопротивление i_kR_k берется со знаком «плюс», и наоборот.

4. Перед ЭДС _k ставится знак «плюс», если при обходе контура идем внутри источника от отрицательного полюса к положительному, т.е. если на пути обхода контура потенциал возрастает.

Покажем применение правил Кирхгофа на примере цепи, приведенной на рис.4.8. Направление токов показано на чертеже. На основе 1-го правила Кирхгофа для узла 3 имеем: . На основе 2-го правила Кирхгофа для контура 12361 можно записать: , а для контура 34563 можно записать:. Если известны сопротивления участков цепиr_xR_x и включенные в них ЭДС _k, то приведенная система 3-х уравнений позволяет рассчитать токи, текущие в отдельных проводниках.

Правила Кирхгофа применимы не только для цепей постоянного тока. Они справедливы и для мгновенных значений тока и напряжения цепей, в проводниках, которых электрическое поле изменяется сравнительно медленно. Электромагнитное поле распространяется по цепи со скоростью, равной скорости света с. Если длина цепи l, то до самой отдаленной точки цепи ток дойдет за время t = l/c. Если за это время ток изменяется незначительно, то мгновенные значения тока практически по всей цепи будут одинаковыми и могут, следовательно, описываться законами, справедливыми для постоянных токов. Токи, удовлетворяющие такому условию называются квазистационарными (как бы постоянными). Для изменяющихся токов условие квазистационарности имеет вид:

Источник