滑動(dòng)變阻器是中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的儀器, 是一個(gè)能連續(xù)改變電阻值的可變電阻,它在電路中用于調(diào)控用電器的電流、電壓。常用的接法有分壓式和限流式兩種。在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中,如何把滑動(dòng)變阻器正確的接入電路是學(xué)生感到非常棘手的問(wèn)題之一,也是實(shí)驗(yàn)成功與否的一個(gè)重要因素。
一、滑動(dòng)變阻器在電路中的兩種接法:
1.限流式--通過(guò)改變變阻器電阻來(lái)改變電路中的電流,以控制電路中的電流
限流式如上圖(a)所示,待測(cè)電阻Rx與滑動(dòng)變阻器Rp的左邊部分電阻串聯(lián),右邊部分被短路不起作用。當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)頭P從右端向左移動(dòng)過(guò)程,滑動(dòng)變阻器電阻逐漸減小,電路中的電流逐漸增大,滑動(dòng)變阻器起到控制電路電流作用。學(xué)生往往根據(jù)串聯(lián)分壓的知識(shí)容易誤認(rèn)為分壓式。為了實(shí)驗(yàn)安全,在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)應(yīng)使滑動(dòng)變阻器連入電路的電阻最大,通常做法是,在合上開關(guān)前,滑片P應(yīng)在b端,這樣就可以使滑動(dòng)變阻器所使用的阻值最大,而待測(cè)電阻的電壓和電流均為最小。在進(jìn)行電路實(shí)物連接時(shí),應(yīng)該用一根導(dǎo)線連接滑動(dòng)變阻器滑杠的一端,另一根導(dǎo)線連接滑動(dòng)變阻器電阻線圈的一端(即一上一下)。
2.分壓式--通過(guò)變阻器改變電阻來(lái)改變用電器兩端的電壓,起調(diào)壓器的作用
分壓式如上圖(b)所示,待測(cè)電阻Rx與滑動(dòng)變阻器Rp的左邊部分電阻并聯(lián)后再與右邊部分串聯(lián)。因?yàn)榇郎y(cè)電阻Rx與滑動(dòng)變阻器Rp左邊電阻并聯(lián),則待測(cè)電阻Rx與滑動(dòng)變阻器Rp左邊電阻兩端的電壓相等,通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器滑片P的位置就可以改變待測(cè)電阻Rx兩端電壓,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓目的。學(xué)生往往根據(jù)并聯(lián)分流的知識(shí)容易誤認(rèn)為限流式。為了實(shí)驗(yàn)安全,在合上開關(guān)前,滑片P應(yīng)在最左邊(a端),這樣可以使待測(cè)電阻Rx上的電壓和電流均為零。在進(jìn)行電路實(shí)物連接時(shí),用一根導(dǎo)線連接滑動(dòng)變阻器滑杠的一端,另外兩根導(dǎo)線連接滑動(dòng)變阻器電阻線圈的兩端(即一上二下)。
二、分壓式與限流式的特點(diǎn):
1. 待測(cè)電阻上電壓的調(diào)節(jié)范圍不同
設(shè)電源的電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì)。在限流式連接中,待測(cè)電阻Rx上的電壓調(diào)節(jié)范圍為RxE/(Rx+ Rp)-E(Rp為滑動(dòng)變阻器的最大阻值)。在分壓式連接中,Rx上的電壓調(diào)節(jié)范圍為0-E??梢姺謮菏竭B接中電壓調(diào)節(jié)范圍比限流式大。
2. 待測(cè)電阻上電流的調(diào)節(jié)范圍不同
設(shè)電源的電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì)。在限流式連接中,流過(guò)待測(cè)電阻Rx上的電流調(diào)節(jié)范圍為E/(Rx+ Rp)-E/ Rx。在分壓式連接中,流過(guò)Rx的電流調(diào)節(jié)范圍為0-E/ Rx??梢姺謮菏竭B接中電流調(diào)節(jié)范圍比限流式大。
從上面兩點(diǎn)可以看出:限流電路的調(diào)節(jié)范圍與Rp有關(guān)。在電源電壓E和待測(cè)電阻的電阻Rx一定時(shí),Rp越大,用電器上電壓和電流的調(diào)節(jié)范圍也越大;當(dāng)Rp比Rx小得多時(shí),用電器上的電壓和電流的調(diào)節(jié)范圍都很小。而分壓式接法的電壓和電流的調(diào)節(jié)范圍與滑動(dòng)變阻器Rp無(wú)關(guān)。
3.電路消耗的功率不同在分壓式連接中,干路電流大,電源消耗電功率大。而在限流式連接中,干路電流小,電源消耗電功率小。
三、分壓式與限流式的選擇
滑動(dòng)變阻器的兩種接法都能控制調(diào)解負(fù)載的電流和電壓,但是在相同條件下調(diào)解效果不同,實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體情況恰當(dāng)?shù)剡x擇限流接法和分壓式接法。
1.通常情況下(滿足安全條件)由于限流式電路能節(jié)約能源,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,因此應(yīng)優(yōu)先選擇限流式接法(以提高電路效率)。
2.為了便于調(diào)解,在待測(cè)電阻的阻值Rx小于變阻器總電阻或相差不多,且電壓電流變化不要求從零開始調(diào),可采用限流法3.為了便于調(diào)解,在待測(cè)電阻的阻值Rx遠(yuǎn)大于變阻器的總電阻的情況下應(yīng)選擇分壓式4.在下列情況下必須采用分壓式:
4.1當(dāng)滑動(dòng)變阻器總電阻小于被測(cè)電阻時(shí),且要求測(cè)量的電壓或電流變化范圍較大
4.2明確要求測(cè)量電路的電壓從零開始變化
4.3若采用限流接法,電路中的最小電流仍超過(guò)用電器的額定電流。
綜上所述,可以簡(jiǎn)記為:零起必分(壓),滑小必分(壓);滑大可限(流),但燒表必分。
四、分壓式接法中,怎樣選擇滑動(dòng)變阻器
1、首先保證儀器安全,即滑動(dòng)變阻器在電路中不被損壞。例如:要描繪某電學(xué)元件(最大電流不超過(guò)6mA,最大電壓不超過(guò)7V)的伏安特性曲線,設(shè)計(jì)電路如圖,圖中定值電阻R為1KΩ,用于限流;電流表量程為10mA,內(nèi)阻約為5Ω;電壓表(未畫出)量程為10V,內(nèi)阻約為10KΩ;電源電動(dòng)勢(shì)E為12V,內(nèi)阻不計(jì)。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)有兩個(gè)滑動(dòng)變阻器可供選擇:a:阻值0到200Ω,額定電流A30、B:阻值0到20Ω,額定電流A5.0。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)選的滑動(dòng)變阻器是 (填“a”或“b”)
解析:在該題中,若選擇滑動(dòng)變阻器b(阻值0-200Ω,額定電流A5.0)時(shí),電路中的最小電流是:A16.02012,顯然AA5.06,滑動(dòng)變阻器將被燒壞。要保證滑動(dòng)變阻器不被燒壞,只能選擇滑動(dòng)變阻器a(阻值0-200Ω,額定電流A3.0)。
2、其次所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的,即多測(cè)量幾組數(shù)據(jù),要達(dá)到這個(gè)要求,滑動(dòng)變阻器相比待測(cè)量電阻越小越好。
例如:在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中,除有-標(biāo)有“6V,1.5W”的小燈泡、導(dǎo)線和開關(guān)外,還有:
A.直流電源 6V(內(nèi)阻不計(jì))
B.直流電流表0~3A(內(nèi)阻0.1Ω以下)
C.直流電流表0~300mA(內(nèi)阻約為5Ω)
D.直流電壓表0~15V(內(nèi)阻約為15kΩ)
E.滑動(dòng)變阻器0~10Ω 2A
F.滑動(dòng)變阻器0~1kΩ 0.5A
實(shí)驗(yàn)要求小燈泡兩端的電壓從零開始變化并能多測(cè)幾次.滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用(用序號(hào)表示)
解析:由于實(shí)驗(yàn)要求小燈泡兩端的電壓從零開始變化并能多測(cè)幾次,則滑動(dòng)變阻器應(yīng)該是分壓式接法,滑動(dòng)變阻器相比待測(cè)量電阻越小越好,因而應(yīng)選擇滑動(dòng)變阻器E(0~10Ω,2A)。
分壓式接法中,在保證儀器安全的前提下,為什么選擇滑動(dòng)變阻器阻值越小越好。例如:如圖甲所示為分壓式電路圖,已知電源電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì),變阻器總電阻為Rp。閉合開關(guān)S后,負(fù)載電阻RL兩端的電壓U隨變阻器a端至滑動(dòng)觸頭間的電阻Rx的變化而變化。關(guān)于負(fù)載電阻兩端的電壓U隨RX變化的關(guān)系式為:
若電源電動(dòng)勢(shì)為10V,變阻器總電阻為Rp=10Ω,負(fù)載電阻分別為RL1=1Ω、RL2=3Ω、RL3=5Ω、RL4=10Ω、RL5=15Ω、RL6=20Ω、RL7=30Ω、RL8=100Ω時(shí)的圖像如圖乙所示:
由圖可知,對(duì)于不同的RL值,調(diào)節(jié)滑動(dòng)觸頭時(shí)負(fù)載電阻兩端的電壓變化規(guī)律不同。當(dāng)負(fù)載電阻RL越小于變阻器電阻Rp時(shí),負(fù)載電阻兩端的電壓U隨RX的變化而更迅速變化;當(dāng)負(fù)載電阻RL越大于變阻器電阻Rp時(shí),負(fù)載電阻兩端的電壓U隨RX的變化而更加平穩(wěn)變化,從而可獲得更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。顯然在分壓式接法中,在保證儀器安全的前提下,滑動(dòng)變阻器阻值相比負(fù)載電阻阻值越小越好。