Страница 160 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Каково назначение реостата в электрической цепи?

1. Реостат — это электрический прибор, представляющий собой переменный резистор, который используется в электрических цепях для регулирования силы тока и напряжения. Его основное назначение — плавно изменять сопротивление участка цепи.

Принцип действия реостата основан на зависимости сопротивления проводника от его длины. Сопротивление проводника $R$ можно рассчитать по формуле:

$R = \rho \frac{l}{S}$

где $\rho$ (ро) — удельное электрическое сопротивление материала, из которого изготовлен проводник, $l$ — длина проводника, а $S$ — площадь его поперечного сечения.

В конструкции реостата (например, ползункового) есть обмотка из проволоки с высоким удельным сопротивлением и подвижный контакт (ползунок). Перемещая ползунок вдоль обмотки, мы изменяем длину участка проволоки ($l$), по которому проходит электрический ток. Соответственно, изменяется и сопротивление $R$ реостата, включенного в цепь.

Согласно закону Ома для участка цепи, сила тока $I$ обратно пропорциональна сопротивлению $R$ при постоянном напряжении $U$:

$I = \frac{U}{R}$

Таким образом, изменяя сопротивление реостата, можно плавно регулировать силу тока в цепи. При увеличении сопротивления реостата сила тока уменьшается, а при уменьшении сопротивления — увеличивается.

Реостат может использоваться в двух основных режимах:

1. Как переменный резистор: для регулирования силы тока. В этом случае используются один из крайних выводов и вывод ползунка.
2. Как потенциометр (делитель напряжения): для регулирования напряжения. В этом случае используются все три вывода. Напряжение источника подается на крайние выводы, а регулируемое напряжение снимается между одним из крайних выводов и ползунком.

Примеры применения реостатов:

• Регулировка яркости ламп накаливания.
• Изменение скорости вращения электродвигателей.
• Настройка и калибровка электрических схем в лабораториях.
• Регуляторы громкости в старой аудиотехнике.

Ответ: Основное назначение реостата в электрической цепи — это регулирование силы тока и/или напряжения путем плавного изменения своего электрического сопротивления.

2. Объясните по рисунку 105, а, как устроен ползунковый реостат. Каково условное обозначение реостата на схеме?

1. Каково назначение реостата в электрической цепи?

Реостат — это электрический прибор, который используется в качестве переменного резистора. Его основное назначение в электрической цепи — плавная регулировка (изменение) силы тока и/или напряжения.

В соответствии с законом Ома для участка цепи, сила тока $I$ обратно пропорциональна сопротивлению $R$ при постоянном напряжении $U$ на этом участке: $I = U/R$. Изменяя сопротивление реостата, можно плавно изменять силу тока в цепи. Для увеличения силы тока сопротивление реостата уменьшают, а для уменьшения — увеличивают.

Также реостат может использоваться как делитель напряжения, позволяя получать на выходе напряжение, составляющее лишь часть от входного.

Ответ: Основное назначение реостата — плавная регулировка силы тока и напряжения в электрической цепи.

2. Объясните по рисунку 105, а, как устроен ползунковый реостат. Каково условное обозначение реостата на схеме?

Так как изображение рисунка 105, а не предоставлено, опишем общее устройство типичного ползункового реостата. Он состоит из следующих основных частей:

• Изолирующего (обычно керамического) цилиндрического каркаса.
• Проволоки с высоким удельным сопротивлением (например, нихромовой или константановой), которая плотно намотана на этот каркас.
• Металлического стержня, установленного над обмоткой параллельно ее оси.
• Ползунка — подвижного контакта, который может перемещаться вдоль стержня и скользить по виткам обмотки, обеспечивая электрическое соединение.
• Клемм (зажимов) для подключения в цепь. Обычно их три: две на концах обмотки и одна, соединенная с ползунком.

Принцип действия реостата основан на зависимости сопротивления проводника от его длины. Ток входит в одну из крайних клемм, проходит по части витков проволочной обмотки до места контакта с ползунком и выходит через клемму ползунка. Перемещая ползунок, изменяют длину активной части проволоки, по которой течет ток. Поскольку сопротивление проводника прямо пропорционально его длине ($R = \rho \frac{L}{S}$), то перемещение ползунка приводит к плавному изменению сопротивления реостата.

Условное обозначение реостата (переменного резистора) на электрических схемах представляет собой прямоугольник со стрелкой, указывающей на возможность изменения сопротивления.

Ответ: Ползунковый реостат состоит из изолирующего каркаса с намотанной на него проволокой высокого сопротивления и подвижного контакта (ползунка). Перемещение ползунка изменяет длину используемого участка проволоки, что приводит к изменению сопротивления. Условное обозначение на схеме — прямоугольник со стрелкой.

3. Почему реостаты изготавливаются из [проволоки с высоким удельным сопротивлением]?

Вопрос, вероятно, звучит так: "Почему реостаты изготавливаются из проволоки с высоким удельным сопротивлением?". Их изготавливают из таких материалов (например, сплавов нихром, константан, манганин) по следующим причинам:

• Создание большого сопротивления при компактных размерах. Сопротивление проводника рассчитывается по формуле $R = \rho \frac{L}{S}$, где $\rho$ — удельное сопротивление. Чтобы получить большое сопротивление (десятки и сотни Ом), используя проводник с низким $\rho$ (как у меди), потребовалась бы проволока огромной длины, что сделало бы прибор очень громоздким. Материалы с высоким $\rho$ позволяют создать необходимое сопротивление, используя сравнительно короткую проволоку, и сделать прибор компактным.
• Высокая термостойкость. При работе реостата в нем выделяется значительное количество теплоты ($Q = I^2Rt$). Материалы, используемые для обмотки, должны выдерживать сильный нагрев, не плавясь и не окисляясь. Нихром, например, имеет высокую температуру плавления (около 1400 °C).
• Стабильность сопротивления. Важным свойством является малый температурный коэффициент сопротивления. Это означает, что сопротивление материала незначительно изменяется при нагреве, что обеспечивает стабильную и предсказуемую работу реостата в различных тепловых режимах.

Ответ: Реостаты изготавливают из материалов с высоким удельным сопротивлением, чтобы получить значительное сопротивление при компактных размерах прибора, а также потому, что эти материалы способны выдерживать сильный нагрев и сохранять стабильность своего сопротивления при изменении температуры.

3. Почему реостаты изготавливают из проволоки, удельное сопротивление которой велико?

3. Почему реостаты изготавливают из проволоки, удельное сопротивление которой велико?

Реостат — это прибор, предназначенный для регулирования силы тока и напряжения в электрической цепи путем изменения ее сопротивления. Конструктивно он часто представляет собой проволоку, намотанную на каркас, и подвижный контакт, который позволяет изменять длину участка проволоки, включенного в цепь.

Сопротивление проводника $R$ зависит от его геометрических размеров и материала. Эта зависимость выражается формулой: $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ (ро) — удельное электрическое сопротивление материала проводника, $l$ — его длина, а $S$ — площадь поперечного сечения.

Из этой формулы видно, что для получения большого сопротивления $R$ необходимо использовать проводник либо с большим удельным сопротивлением $\rho$, либо большой длины $l$, либо малой площади поперечного сечения $S$.

Использование материалов с высоким удельным сопротивлением (например, сплавов никелина, константана, нихрома) позволяет получить большое сопротивление при относительно небольшой длине проволоки. Если бы для реостата использовали проволоку с малым удельным сопротивлением (например, медную), то для достижения нужного сопротивления она должна была бы быть очень длинной. Это сделало бы прибор очень громоздким, непрактичным и дорогим. Таким образом, высокое удельное сопротивление позволяет сделать реостат компактным.

Кроме того, многие сплавы с высоким удельным сопротивлением (например, константан) обладают малым температурным коэффициентом сопротивления. Это означает, что их сопротивление почти не изменяется при нагревании, которое неизбежно происходит при прохождении тока. Это свойство обеспечивает стабильность работы реостата в различных режимах.

Ответ: Реостаты изготавливают из проволоки с высоким удельным сопротивлением для того, чтобы прибор имел достаточно большое сопротивление при относительно небольших размерах (длине проволоки). Это делает реостат компактным и удобным в использовании.

4. Для каких величин указывают на реостате их допустимые значения?

4. На реостате указывают допустимые (или номинальные) значения для двух основных физических величин, которые определяют его рабочие характеристики и безопасные условия использования.

1. Полное сопротивление ($R$). Это максимальное сопротивление, которое реостат может внести в цепь. Данная величина зависит от свойств проволоки, из которой изготовлен реостат: ее длины $l$, площади поперечного сечения $S$ и удельного электрического сопротивления материала $\rho$. Связь между этими величинами выражается формулой: $R = \rho \frac{l}{S}$. Значение полного сопротивления (например, 100 Ом) позволяет определить диапазон, в котором можно регулировать сопротивление в цепи.

2. Максимально допустимая сила тока ($I_{max}$). Это предельное значение тока, при котором реостат может работать длительное время без перегрева и повреждения. Когда через проводник реостата протекает электрический ток, выделяется теплота в соответствии с законом Джоуля-Ленца, количество которой равно $Q = I^2Rt$. Если сила тока $I$ превысит максимально допустимое значение, проволока может сильно нагреться, что приведет к ее плавлению или разрушению изоляции. Поэтому для безопасной эксплуатации на реостате всегда указывают предельную силу тока (например, 2 А) или, реже, максимальную мощность рассеяния ($P_{max} = I_{max}^2 R$), которую он способен выдержать.

Эти два параметра являются ключевыми для правильного выбора и использования реостата в электрических схемах.

Ответ: На реостате указывают допустимые значения для его полного сопротивления и максимальной силы тока.

Определите силу тока, проходящего через реостат, изготовленный из никелиновой проволоки длиной 50 м и площадью поперечного сечения 1 мм², если напряжение на зажимах реостата равно 45 В.

Дано:

Длина никелиновой проволоки: $l = 50$ м
Площадь поперечного сечения: $S_{0} = 1 \text{ мм}^2$
Напряжение на зажимах реостата: $U = 45$ В
Материал проволоки: никелин

Перевод данных в систему СИ и справочные значения:
$l = 50$ м (соответствует СИ)
$U = 45$ В (соответствует СИ)
$S = 1 \text{ мм}^2 = 1 \cdot 10^{-6} \text{ м}^2$
Удельное сопротивление никелина: $\rho = 0.4 \cdot 10^{-6} \text{ Ом} \cdot \text{м}$

Найти:

Силу тока $I$.

Решение:

Для определения силы тока, проходящего через реостат, воспользуемся законом Ома для участка цепи:

$I = \frac{U}{R}$

где $I$ – сила тока, $U$ – напряжение, а $R$ – сопротивление реостата.

Сопротивление реостата (никелиновой проволоки) можно вычислить по формуле зависимости сопротивления проводника от его геометрических размеров и материала:

$R = \rho \frac{l}{S}$

где $\rho$ – удельное электрическое сопротивление материала, $l$ – длина проволоки, $S$ – площадь ее поперечного сечения.

Сначала рассчитаем сопротивление $R$, подставив данные в единицах СИ:

$R = (0.4 \cdot 10^{-6} \text{ Ом} \cdot \text{м}) \cdot \frac{50 \text{ м}}{1 \cdot 10^{-6} \text{ м}^2} = 0.4 \cdot 50 \text{ Ом} = 20 \text{ Ом}$

Теперь, зная сопротивление, найдем силу тока:

$I = \frac{45 \text{ В}}{20 \text{ Ом}} = 2.25 \text{ А}$

Ответ: сила тока, проходящего через реостат, равна 2.25 А.