Что такое реостат в физике

Реостаты. Виды и устройство. Работа и особенности

Во многих электронных устройствах для регулирования громкости звука необходимо изменять силу тока. Рассмотрим устройство (реостаты), с помощью которого можно изменять силу тока и напряжение. Сила тока зависит от напряжения на концах участка цепи и от сопротивления проводника: I=U/R. Если изменять сопротивление проводника R, тогда будет меняться сила тока.

Сопротивление зависит от длины L, от площади поперечного сечения S и от материала проводника – удельного сопротивления. Для того чтобы изменять сопротивление проводника, нужно менять длину, толщину или материал. Весьма удобно изменять длину проводника.

Например, цепь, состоящая из источника тока, ключа, амперметра и проводника в виде резистора АС из проволоки с большим удельным сопротивлением.

Перемещая контакт С по этой проволоке, можно менять длину проводника, которая задействована в цепи, тем самым изменять сопротивление, а значит, и силу тока. Следовательно, можно создать устройство с переменным сопротивлением, с помощью которого можно изменять силу тока. Такие устройства имеют название реостатами.

Реостат – это устройство с изменяемым сопротивлением, которое служит для регулировки силы тока и напряжения.

Устройство реостата

На цилиндр, выполненный из керамики, намотан металлический проводник, который сделан из материала с большим удельным сопротивлением. Сделано это для того, чтобы при небольшом изменении длины существенно менялось сопротивление. Этот металлический провод называется обмоткой. Он так называется, потому что намотан на керамический цилиндр.

Концы обмотки выведены к зажимам, которые называются клеммами. В верхней части реостата есть металлический стержень, который тоже заканчивается клеммами. Вдоль металлического стержня и вдоль обмотки может перемещаться скользящий контакт, который называется ползунком. Так как скользящий контакт имеет такое название, то подобный реостат называется ползунковым реостатом.

Принцип действия

Ползунковый реостат подсоединен в цепь через две клеммы: нижнюю с обмотки и верхнюю клемму, там, где металлический стержень. При подключении его в цепь, таким образом, ток через нижнюю клемму проходит по виткам обмотки, а не поперек витков. Далее ток проходит через скользящий контакт, потом по металлическому стержню, и опять в цепь.

Таким образом, в цепи задействована только часть обмотки реостата. Когда ползунок перемещается, то меняется сопротивление той части обмотки реостата, которая находится в цепи. Изменяется длина обмотки, сопротивление и сила тока в цепи.

Необходимо обратить внимание, что ток в той части реостата, по которой он проходит, идет по каждому витку обмотки, а не поперек них. Это достигается тем, что витки обмотки изолированы между собой тонким слоем изоляционного материала. Разберемся, как осуществляется контакт между витками обмотки и ползунком.

При движении по обмотке ползунок движется по ее верхнему слою, который имеет зачищенный участок изоляции на пути ползунка. Так осуществляется контакт между ползунком и витком обмотки. Между собой витки изолированы.

На схеме изображена цепь с источником тока, выключателем, амперметром и ползунковым реостатом. При перемещении ползунка реостата меняется его сопротивление и сила тока в цепи.

Ползунковый реостат можно подключать к цепи при помощи двух клемм: верхней и нижней. Но реостаты подключаются и по-другому.

Реостат можно подключить через три клеммы. Две нижние клеммы соединяются с концами обмотки, и один провод с верхней клеммы. Напряжение подается на всю обмотку, а снимается напряжение только с части обмотки. Ползунок делит реостат на два резистора, которые соединены последовательно.

Общее напряжение равно сумме напряжений каждого резистора. Поэтому выходное напряжение меньше входного значения. Выходное напряжение меньше, чем входное во столько раз, во сколько сопротивление части обмотки меньше, чем сопротивление всей обмотки. То есть, реостат делит напряжение, и называется делителем напряжения или потенциометром.

Виды и особенности реостатов

Реостат в виде тора

Два крайних зажима – это концы обмотки, а средний зажим соединен с ползунком. Вращая ползунок по обмотке, можно изменить сопротивление и сила тока в цепи.

Рычажные реостаты

Они получили такое название, потому что в его нижней части находится переключатель – рычаг. С помощью него можно включать разные части спирали резисторов. На рисунке показан принцип работы рычажного реостата.

Рычажный реостат изменяет силу тока скачкообразно, в то время как ползунковый реостат меняет силу тока плавно. Если в цепи будет присутствовать резистор, то при перемещении ползунка на ползунковом реостате или при переключении рычага рычажного реостата будет меняться сила тока и напряжение на концах резистора.

Штепсельные

Такие устройства состоят из магазина сопротивлений.

Это набор различных сопротивлений. Они называются спирали-резисторы. При помощи штепселя можно включать или выключать разные спирали-резисторы. Когда штепсель находится в перемычке, то больший ток идет через перемычку, а не через резистор. Таким образом, резистор отключается. Используя штепсель, можно получать разные сопротивления.

Материалы и охлаждение

Основным элементом в устройстве реостата является материал изготовления, по виду которого реостаты делятся на несколько видов:

Электрический ток в сопротивлениях преобразуется в тепловую энергию, которая должна каким-то образом отводиться от них. Поэтому реостаты также делятся по типу охлаждения:

Жидкостные реостаты разделяются на водяные и масляные. Воздушный вид используется в любых конструкциях приборов. Жидкостное охлаждение применяется только для металлических реостатов, их сопротивления омываются жидкостью, либо полностью в нее погружены. Нельзя забывать, что охлаждающая жидкость также должна охлаждаться.

Металлические реостаты

Это конструкция реостата с воздушным охлаждением. Такие модели приобрели популярность, так как легко подходят для различных условий работы своими электрическими, тепловыми характеристиками, а также формой конструкции. Они бывают с непрерывным или ступенчатым типом регулировки сопротивления.

В устройстве имеется подвижный контакт, скользящий по неподвижным контактам, расположенным в этой же плоскости. Неподвижные контакты выполнены в виде винтов с плоскими головками, пластин или шин. Подвижный контакт называется щеткой. Он бывает мостиковым или рычажным.

Такие виды реостатов делят на самоустанавливающиеся и несамоустанавливающиеся. Последний вид имеет простую конструкцию, но ненадежен в применении, так как контакт часто нарушается.

Масляные

Устройства с масляным охлаждением повышают теплоемкость и время нагревания вследствие хорошей теплопроводности масла. Это делает возможным повышение нагрузки на небольшое время, снижает расход материала изготовления сопротивления и габариты корпуса реостата.

Детали, погружаемые в масло, должны иметь значительную поверхность для хорошей отдачи тепла. В масле увеличиваются возможности контактов на отключение. Это является преимуществом такого вида реостатов. Благодаря смазке на контакты можно прилагать повышенные усилия. К недостаткам можно отнести риск возникновения пожара и загрязнение места установки.

Источник

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.

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 – это управляющий прибор, способный изменять силу тока и напряжение

Электрические сети зациклены на передаче электроэнергии от источника к потребителю, которые являются основными элементами цепочки. Но кроме них в электрическую цепь вставляются и другие составляющие, к примеру, управляющие элементы, к которым относится реостат или любой другой прибор с таким же принципом действия. Устройство реостата – это проводник определенного сечения и длины, через которые можно узнать сопротивление проводника. Конечно, обговаривается и его материал. Изменяя сопротивление прибора, а, точнее, проводника, можно регулировать величину силы тока и напряжения в сети. Итак, реостат – это прибор, регулирующий напряжение и ток.

Устройство и принцип работы

Если рассматривать реостатную конструкцию, то необходимо отметить несколько основных его частей:

Теперь, как все это работает. Обратите внимание на рисунок ниже.

Первая позиция (а) – контакт (движущийся) посередине. Это говорит о том, что ток будет проходить только через половину прибора. Вторая позиция (б) говорит о том, что задействован проводник полностью. То есть, его длина максимальная, значит, и сопротивление максимальное, при этом сила тока уменьшилась. Понятно, что чем больше сопротивление, тем меньше сила тока. Третья позиция (в) – здесь все наоборот: снижается сопротивление, увеличивается сила тока.

Хотелось бы обратить ваше внимание на то, что керамическая трубка, используемая в реостатной конструкции, полая. Это необходимая составляющая, которая позволяет прибору охлаждаться при прохождении через проводник электроэнергии. Добавим: считается, что самые безопасные реостаты – это те, которые закрыты кожухом.

Как включается реостат в цепь

Во-первых, этот прибор в электрическую цепь включается только последовательно. Во-вторых, один из контактов подключается к ползуну, с помощью которого и регулируется величина тока в цепи. Но необходимо отметить, что этот управляющий элемент можно использовать и для регулировки напряжения в электрической цепочке. Здесь может быть использовано несколько схем с одним сопротивлением или двумя. Понятно, что чем меньше элементов в электрической цепочке, тем проще она.

Реостаты – это универсальные приборы. Их сегодня используют не только для управления силой тока и напряжением. К примеру, в телевизорах они установлены для увеличения или уменьшения звука. Да и переключение каналов косвенно связано с ними же.

И еще один момент. В электрических схемах обозначение этих приборов вот такое:

На первом рисунке более подробно расписана схема подключения, где красный прямоугольник – это и есть проводник, накрученный на керамическую основу. Синяя линия – это контакт, через который подводится питающий провод. Зеленная стрелка – это ползун. Она направлена влево, что говорит о том, что перемещая ползунок влево, мы уменьшаем сопротивление проводника. И, наоборот, перемещаем контакт вправо, увеличиваем сопротивление.

Рисунок второй более упрощенный. На нем всего лишь прямоугольник, показывающий наличие сопротивления, и стрелка, которая показывает, что этот показатель можно изменять.

Конечно, вся эта информация касается простейших элементов. Но необходимо отметить, что реостаты могут быть разными, все зависит от того места, куда они должны быть установлены. Есть различия и по токопроводящему материалу, который лежит в основе. К примеру, это может быть уголь, металлы, жидкости и керамика. К тому же процесс охлаждения производится воздушным путем или при помощи жидкостей, и это может быть не только вода.

Источник

Реостат — что это такое

Этот электрический прибор был изобретён немецким физиком Поггендорфом во второй половине XIX века. Первый образец устройства давал ясное представление о том, что такое реостат (РС). Его предназначение заключалось в том, чтобы путём изменения собственного сопротивления влиять на величину силы тока и напряжения в электрической цепи.

Как устроен реостат

Реостат это управляемое переменное сопротивление, которое может изменять параметры тока в электрической цепи.

В результате большого количества экспериментов и научно-технических исследований появились различные модели реостатов, такие как:

Проволочный

Это простейший реостат. Он состоял из проволоки с высоким удельным сопротивлением, натянутой на раму. Она проходила сразу через несколько разъёмов. Включая тот или иной контакт, добивались изменения длины проводника. Тем самым получали нужную величину сопротивления, следовательно, изменялись параметры силы тока и напряжения в электрической цепи. Недостатком такого устройства являлась ограниченность длины проводника, соответственно, диапазона изменений характеристик тока.

Ползунковый

Ползунковый прибор – это классика строения реостата. РС представляет собой удлинённую катушку, которая выглядит как цилиндр из диэлектрического материала с намотанным на него проводом, покрытого окалиной. По штанге поступательно передвигается ползунок, который касается контактами спирали катушки. Прибор подключают к электрической цепи в двух точках: это контакт ползунка и один из концов катушки.

Жидкостный

Аппарат представляет собой ёмкость, заполненную электролитом, в которую погружены два электрода в виде металлических пластин. Сопротивление тока, протекающего через электролит, напрямую зависит от промежутка между электродами и обратно пропорционально площади поверхности электродов.

Ламповый

Сопротивление в цепи регулируется количеством включённых параллельно ламп накаливания. Это не очень удачное решение. Регулировка параметров тока дорого обходится за счёт большой траты электроэнергии, потребляемой лампами накаливания.

Важно! Все вышеперечисленные устройства давно канули в прошлое, кроме ползункового реостата. Это были пионеры в сфере регулировки параметров электрического тока. На смену им пришли экономичные и компактные переменные резисторы. Несмотря на это, принцип работы устройств остался прежним.

Принцип работы

Принцип работы РС можно рассмотреть на примере действия ползункового прибора. Ползун перемещается вдоль катушки поперёк витков намотки. По бокам керамического цилиндра установлены две стойки, которые поддерживают горизонтальную штангу. Ползун надет через отверстие в корпусе на эту горизонтальную ось, по которой он свободно перемещается.

Ползунок двумя металлическими пластинками трётся о витки катушки. Ток не может проходить напрямую через витки, а только по спирали. Следовательно, работать может только та часть катушки, которая заключена между входным контактом и ползунком. Этим была решена проблема ограниченности длины проводника проволочного РС.

Чем ближе контактор к входному контакту катушки, тем меньше сопротивление РС. В результате уменьшается напряжение, и увеличивается сила тока электрической цепи. Напряжение подаётся на всю длину обмотки, а рабочий ток снимается контактами ползуна. Контактор в принципе разделяет РС на два последовательно соединённых резистора.

Обратите внимание! Реостат на схеме обозначают в виде прямоугольника со стрелкой. Геометрическая фигура – это катушка, а стрелка означает ползунок.

Виды реостатов

Основные три вида реостатов:

Тороидальный реостат

Обмотка РС представляет собой тороидальную конструкцию, верхняя поверхность которой образует контактную дорожку. Поворотный контактор вращается вокруг своей оси, касаясь обмотки. Тороидальная катушка обеспечивает неразрывность электрической цепи во время поворота ползуна.

Эту особенность переменного сопротивления используют в городском электротранспорте. Беспрерывная перемена силы тока и напряжения питания электродвигателя обеспечивает плавное перемещение транспортного средства. При поломке устройство не подлежит ремонту. Потребуется замена прибора новым реостатом.

Рычажный тип

В отличие от тороидальной модели, рычажный реостат меняет величину сопротивления тока рывками. Рычаг, исполняя роль контактора, передвигается с одного контакта на другой. В устройстве расположено несколько резисторных линий с определённым сопротивлением. Рычажный бегунок одновременно работает выключателем одной линии и включателем другого резистора.

Штепсельные РС

Как и рычажный тип РС, штепсельные устройства регулируют сопротивление электрической цепи ступенчато. Единственное отличие заключается в том, что переход от одного режима к другим параметрам тока происходит без разрыва цепи. При извлечении очередного штепселя происходит перенаправление энергетического потока через определённый резистор.

Материалы изготовления

Реостаты по виду материала изготовления делятся на 4 типа. Это угольные, металлические, жидкостные и керамические РС:

Охлаждение

Электричество, пройдя через резистор, тратит часть энергии на преодоление сопротивления проводника, которая преобразуется в тепло. При чрезмерном его выделении реостат может сильно перегреться и прийти в полную негодность.

По этой причине применяют, согласно ГОСТу, две системы охлаждения переменных резисторов, это:

Воздушная система охлаждения

Она основана на принудительной вентиляции. Для этого применяют лопастные и турбинные вентиляторы. В реостате датчик производит измерение уровня нагрева прибора. При достижении допустимого порога температуры датчик подаёт сигнал на включение системы вентиляции. При понижении нагрева вентилятор выключается.

Жидкостное охлаждение

Жидкостное охлаждение переменного резистора большой мощности осуществляется с помощью саркофага, в рубашке которого постоянно циркулирует минеральное масло. Оно отводит тепло от реостата наружу.

Для чего нужен РС

Исходя из того, для чего нужен реостат, переменные устройства делятся на следующие виды:

Пускорегулирующие приборы

Реостаты применяют в системе управления электродвигателями постоянного тока. При переменном токе РС включают в схему питания асинхронных двигателей с фазовым ротором.

Пусковые РС

Их основное назначение – это понижение величины силы пускового тока во время старта электромотора. Также такие реостаты работают в системах рекуперативного реостатного торможения. Оно нужно для плавного снижения скорости вращения роторов электромоторов и генераторов.

Балластники

Балластные РС быстро поглощают энергию, которая выделяется при резком торможении электродвигателя. То есть происходит сброс балласта в виде излишней электроэнергии.

Нагрузочные устройства

РС этого вида создают дополнительную нагрузку в электроцепи. Это нужно для поддержания необходимых процессов, связанных с режимом работы различных приборов, двигателей и других устройств.

Датчики на основе реостата

Положение ползуна в РС определяет величину напряжения и силы тока в рабочей цепи электрического тока. Изготовить датчик на основе реостата не составляет особого труда. К тороидальному переменному сопротивлению подводят фазу и ноль питания, на выход выводят изменённую фазу из резистора и ноль.

Сегодня на смену устаревшим приборам пришли оптические и магнитные аналоги. Датчики на основе переменных резисторов ещё продолжают массово применять в радиотехнике. Это подстроечные сопротивления регуляторов уровня громкости и других опций.

Поворачивая ручку регулировки громкости радиоустройства, перемещают ползунок по графитовому диску. От его положения зависят сопротивление цепи и мощность звукового сигнала.

Реостат печки отопления салона автомобиля

Сама печка автомобиля во включённом состоянии находится в статичной степени нагрева. Уровень температуры воздуха в салоне зависит от скорости вращения ротора вентилятора. Реостат, встроенный в цепь питания вентилятора, меняет скорость воздушного горячего потока через ручное управление.

Существуют комбинированные системы обогрева салона автомобиля. Это когда степень нагрева воздушного потока регулируется двумя реостатами: самой печки и вентилятора.

Дополнительная информация. Типичной причиной выхода из строя системы обогрева салона часто бывает перегорание предохранителя. Поломку устраняют перепайкой электрической детали.

С развитием научно-технического прогресса многие электроприборы быстро устаревают. На смену им приходят более совершенные устройства, менее затратные и более эффективные. То же происходит с реостатами. Электротехническая промышленность постоянно поставляет на рынок всё более новые и совершенные виды резисторов.

Видео

Источник