滑线变阻器选择和连接

2015-05-26

  在电学中涉及电路的问题往往都要用到变阻器。变阻器在电路结构中只是一个辅助元件,但它的作用却很大。由于要求不同,对变阻器阻值大小的选择和连接的方法又往往不同,所以在电路中,尤其在电学实验中,变阻器的选择与连接是学生头疼的问题之一。为此,本文中从分析变阻器变阻原理出发,揭示变阻器在各种接法中变化规律,并就变阻器应用过程中的注意问题提出自己的看法。
一、滑线电阻器原理
学生学了《电阻定律》之后,知道了如何来改变电阻的方法。根据电阻定律:R=ρL/S。金属导体的电阻,由材料的电阻率(ρ),导线长度(L)及导线横截面(S)三者共同决定。
滑线变阻器是由绝缘的金属电阻丝均匀、紧密地绕在绝缘的圆柱形瓷管上,利用滑动片的移动改变接触点,从而改变接入电路中电阻丝的长度达到变阻的目的。在实验中变阻器连接错误率是较高的,学生经常会接错实物连线图中滑线变阻器的接线柱。变阻器上只有三个接线柱,底部两个接线柱连接的是变阻器的最大值,它通过横梁上的接线柱来改变接入电路中的电阻阻值。某些教师会说接在横杆上任一点电阻阻值都一样,这样容易让学生产生误解,在连接实物图的时候,他们错把线直接接在触片上。为了避免这种错误,我觉得,有条件的学校可以让学生动手做一做滑线变阻器,或者可以拆一只滑线变阻器,让学生观察并理解滑线变阻器的结构,能把实物与符号对应,让学生体会触片上是不能接线的。
实验室中学生常用到的滑线变阻器有“200Ω,1.5A”“50Ω,1.5A”“20Ω,2A”“10Ω,2A”、 “5Ω,3A”等5种,演示实验中还有“2000Ω,2A”这种型号的变阻器。为了有利于操作,滑线变阻器触头移动范围不能做的太小,所以阻值小的变阻器,电阻丝短而粗,绕的圆柱体直径较小;阻值大的变阻器,电阻丝长而细,绕的圆柱体直径也较大。
实验室中最大阻值的滑线变阻器触头能移动长度约是最小阻值的滑线变阻器的4倍,而阻值约是它的40倍,圆柱体直径则约是它的2倍。若是同种材料制成的电阻丝,设材料电阻率为ρ,圆柱的半径为r,电阻丝的半径为ro,△L 为一匝电阻丝的长度,电阻丝绕在圆柱体上滑动触片的移动范围长为L,那么当变阻器阻值变化时,至少变化一匝电阻丝的阻值,所以说滑线变阻器电阻的变化并非连续的。设变化最小值为△R,则
△R=ρ△L/S=ρ2πr/πro2=2ρr/ro2,R=ρ■2πr/πro2=ρLr/ro3
      ■=■×■×(■)■
由测得的数据■≈40,■≈4,■≈2,则■≈1.72,      可知,变化值最小量之比■=■×(■)■≈6
因此阻值大的△R也大。
二、滑线变阻器的应用
1.变阻器的粗调和细调
①串联接法:两个不同阻值的滑线变阻器与负载串联起来。
两个滑线变阻器因为串联,电路电流相同,滑线变阻器变化量最小电阻值△R,即每移动一匝电阻的变化量,改变的电压大小为△U=I△R,所以阻值大的变阻器为粗调,阻值小的变阻器为细调。
②并联:如图1所示(图略)
从粗调和细调看:变阻器两端的电压确定时,通过变阻器上的滑动片移动来改变用电器上分到的电压,一般情况下材料一定时,电阻大些的变阻器匝数多,移动一匝改变的电压就越小,所以阻值大的滑线变阻器为细调。如果是不同材料,那么只看匝数的多少,匝数多的就为细调,而匝数少的为粗调。
从操作角度看:滑线变阻器的分压接法,实际上是变阻器R1的右部分比另一滑线变阻器和负载如图接法并联后的电阻小的多,则并联后的总电阻接近变阻器R1右部分的阻值,基本上可以看成变阻器上两部分电阻分压,电压变化均匀,操作方便,由此可见,R1应该是阻值较小的电阻,R2是阻值较大的电阻。操作时先粗调方便,再细调精确。
2.变阻器接法的选择
①限流接法,变阻器R与负载电阻R器串联,电源电动势为E,内阻为r,移动触片负载电阻上电压变化范围:
     ■R■≤U≤■R■
负载上电流变化范围 
■≤I≤■
要求电压变化范围不是很大,特别不要求从零开始,测得的数据不需要足够的多,这时应采用限流接法。例如利用伏安法测电阻,测电源的电动势和内阻。由于限流电路能耗小,结构连接简单。在满足安全条件的情况下,优先考虑。此外,在具体测量中还要求电表有较大的偏转,表头指针偏转大于满偏的1/3,以提高测量的精确度。
②分压接法,即负载与变阻器的一部分并联,移动触片,负载电阻上电压变化范围0≤U≤Umax,电流变化范围0≤I≤■。
分压接法一般用在要求电压变化范围较大的电路中,特别是要求用电器电压从零开始连续变化情况,研究规律、特性等。例如研究小灯泡的伏安特性曲线,小灯泡不同电压情况下的电功率变化情况等。如果伏安法测电阻实验中,所用的变阻器阻值远小于待测电阻的阻值,采用限流接法时,即使变阻器触头从一端滑至另一端,测得的电流(压)变化很小,这不利于用多次测量求平均值或用图像法处理数据。为了在这种情况下能较大范围地调节待测电阻上的电流(压)应选择变阻器分压接法。如果实验所提供的电压表,电流表量程或电阻元件最大电流很小,采用限流接法时无论怎样调节,电路中实际电流(压)都会超过电表或电阻元件允许的最大电流(压)。为了保护电表或电阻元件必须要采用分压接法。
3.变阻器阻值的选择
变阻器是辅助器材,根据实验要求,一是要考虑保护电路中所有器材安全;二是能改变电阻,从而改变所测的电压和电流;三是数据要精确,在改变电阻而测得的电压和电流,一般要求各表的实际读数不小于量程的1/3,目的是减小偶然误差;四是操作尽量简便,被测电压(流)随变阻器触头滑动而均匀改变为佳。
①作为限流电阻,滑线变阻器R1 与负载R2 串联。
a.令R1=10Ω,R2=10Ω,不计内阻的电源电动势为E=3V,那么当R1由零逐渐增大的过程中,电压表的读数U(即R2两端的电压)变化情况如图2所示。
b.令R1=100Ω,R2=10Ω,不计内阻的电源电动势为E=3V,那么当R1由零逐渐增大的过程中,电压表的读数U(即R2两端的电压)变化情况如图3所示。(图略)

从图表中我们可以看到:当R1=R2时,变阻器改变过程中负载电阻上电压从1.5V到3V,变化较均匀,操作方便。当R1=10R2时,变阻器改变过程中负载电阻上电压从0.27V<UR<3V,但变化极不均匀,3V量程的电压表读数在1V到3V相对误差较小,这样滑线变阻器上移动的有效范围还不到2/10,如果阻值越大,有效利用范围将更小,操作不方便,所以限流电阻并不是越大越好。当R2≤R1≤2R2左右时,移动滑线变阻器触片电压变化较均匀,同时电表的偏角较大,偶然误差较小, 操作方便。
②分压变阻器的选择(如图4所示)(图略):设变阻器的电阻为R1,用电器的电阻为R2,并联部分(bc部分)电阻为Rx,bc部分的电压为
     Ux=■
a.在图中令R1=200Ω,R2=5Ω,U=1V,则电压
Ux=■的变化情况如图5所示。
b.在图中令R1=7Ω,R2=200Ω,U=1V,则电压 
Ux=■的变化情况如图6(图略)所示。

从图表中我们可以看到:当R2>R1时, Ux=■R■电压变化均匀,操作方便,但要求滑线变阻器额定电流较大。当R1<R2时,U■=■
在RX变化范围0到180Ω基本上没有明显变化;在180Ω到195Ω非线性变化;在195Ω到200Ω接近线性变化。有效利用率大约在1/40范围,给操作带来不便,所以分压电阻通常取阻值较小的滑线电阻器。
例:有一电阻Rx,其阻值大约在40Ω-50Ω之间,要求进一步测定其阻值,手边现有下列器材:
电池组E=9V,内阻大约为0.5Ω             电压表V1    量程0-10V,内阻20kΩ
电流表A1    量程0-50mA,内阻约为20Ω   电流表A2    量程0-300mA,内阻约为4Ω
滑线变阻器R1     阻值范围0-100Ω,额定电流1A              电键k
滑线变阻器R2     阻值范围0-1700Ω,额定电流0.3A            若干连接导线
实验要求多测几组电流、电压值,画出电流-电压关系图。为了实验能正常进行并减小测量误差,而且要求滑线变阻器便于调节,画出实验原理图,应选电流表_________和滑线变阻器_________。
      分析和解答:
①电流表的选择先估算电路中可能达到的最大电流Im=■=0.14A,已超过A1表的量程。使用A2表 Im’=■=0.18A,未超过A2表的量程,为遵循安全性原则,应选择电流表A2。
②电路的选择(安培表内接还是外接);
■=■≈11;■>■所以遵循准确性原则,应选择电流表外接法。
③滑线变阻器选择
先选择限流(结构简单原则),选R1时Imin=■≈0.06A,电流范围为0.06A-0.18A。A2表的读数100mA-300 mA在误差较小,所以实际读数取100mA-180mA范围内。R1=■-(R■+R■)≈90-(40+4)≈46, 0≤R’1≤46Ω,其利用率为46/100=46%。同理若选R2利用率只有46/1700=2.8%,遵循方便性原则应选择R1。电路如图7(图略):
若选择分压A2读数取100mA-180mA范围,电压变化在5V-9V,Rx=63Ω,所以电阻有效长度■=37%<46%,且变化不均匀,不方便,所以应选用限流。
由此可见,滑线变阻器的选择,必须同时考虑问题中电流表或电压表量程,读数的精度,变阻器实际有效调节长度,电路结构等因素。有时需反复推敲,最后选定。通过对滑线变阻器的正确选择,能提高分析问题和解决问题的能力,能有效培养学生全面思考问题,提高学生实验设计能力。岱山中学 方斌

Powered by CloudDream
www.xinfangvip.com www.xinyuexinhoteL.com www.yeLian-chem.com