Jak funguje reostat jednoduchými slovy?

Pokud se pokusíte přeložit výraz „reostat“ z řečtiny, můžete získat nesprávnou představu o tomto zařízení. V řečtině rheos znamená „tok“ a latinské slovo status znamená „neustálý“, takže vzniká myšlenka něčeho statického, nehybného. Ve skutečnosti je to jen nesprávné označení a reostat je zařízení s proměnnými parametry.

Obecný úvod a aplikace v elektrotechnice

V elektrotechnice se používají prvky, jejichž hlavní charakteristikou je odpor. Taková zařízení se nazývají rezistory. Existují situace, kdy se odpor rezistoru musí plynule měnit v určitých mezích – například pro regulaci proudu nebo napětí v elektrickém obvodu. K tomu je určen typ rezistoru s proměnným odporem – reostat.

Principy změny odporu a řízení proudu nebo napětí

Je známo, že odpor jediného vodiče, jehož délka výrazně přesahuje průřez, je roven R = p*l/S, kde:

• ρ – měrný odpor kovu, ze kterého je drát vyroben, Ohm*sq.m/m (nebo Ohm*m);
• l – délka vodiče, m;
• S – průřez vodiče, m2.

V důsledku toho pro dráty vyrobené ze stejného kovu a mající stejný průřez bude odpor záviset na délce.

Čím delší vodič, tím větší odpor. Toto je princip činnosti reostatu.

Podle Ohmova zákona pro část obvodu závisí proud v prvcích této části na napětí a odporu: I=U/R. Změnou odporu tedy můžete změnit proud. Chcete-li to provést, můžete sestavit stojan z:

• zdroj napájení;
• dráty s vysokým odporem;
• ampérmetr;
• voltmetr.

Vodič na jedné straně je trvale připojen k obvodu, na druhé je odnímatelný kontakt, který lze připojit v libovolném místě vodiče. Tímto způsobem můžete změnit délku úseku zahrnutého v elektrickém obvodu. Jak je uvedeno výše, délka vodiče určuje jeho odpor a odpor určuje proud. Proto lze změnou délky aktivní části drátu upravit proud.

Mírnou změnou schématu připojení vodičů můžete vytvořit dělič napětí. Úbytek napětí na každém úseku vodiče je úměrný jeho odporu a poměr odporů závisí na poměru délek. Změnou místa připojení můžete upravit napětí.

Výsledné zařízení je prototypem reostatu, široce používaného ve fyzice a technice.

Chcete-li vidět, jak to funguje, podívejte se na video.

Struktura a komponenty reostatu

V praxi je nepohodlné používat zařízení v této podobě – ​​má velké rozměry. Proto je vysokoodporový drát navinut ve formě spirály na válec (trubku) z keramiky, porcelánu nebo jiného tepelně odolného izolačního materiálu, čímž se zmenší rozměry při zachování celkové délky vodiče. Drát se před navinutím ohřeje na vzduchu tak, aby byl jeho povrch pokryt vrstvou oxidu, který funguje jako mezizávitová izolace. Poté je celá konstrukce vybavena pohyblivým kontaktem, který lze silou pohybovat po spirále, přičemž izolační vrstva je v dotykové ploše smazána. Přesunutím posuvníku můžete změnit délku drátu zahrnutého v obvodu. Toto zařízení se nazývá posuvný reostat.

Označení reostatu na schématu

Ve schématu je reostat označen symbolem rezistoru, ke kterému je přidána šipka, symbolizující pohyblivý kontakt. Tento symbol symbolizuje schopnost měnit polohu motoru.

Odrůdy

Existuje další návrh proměnného odporu jezdce. Vyrábí se ve formě drátového odporu s pájecími kontakty. Drátěná spirála je nahoře potažena vrstvou keramiky pro zvýšení bezpečnosti.

Tato konstrukce zhoršuje chlazení, takže maximální proud ve vztahu k hmotnostním a rozměrovým charakteristikám takových rezistorů je nižší.

Rozměry posuvného reostatu lze dále zmenšit ohnutím keramického rámu do kruhu. Takové reostaty se nazývají drátové potenciometry. Používají se v radiotechnice, kde je potřeba regulovat proudy, které jsou pro tuto oblast poměrně velké. Oba zmíněné typy umožňují plynulé nastavení odporu.

Existují také stupňovité proměnné rezistory. Pohyblivý kontakt podél vodiče se nepohybuje nepřetržitě, ale z jednoho bodu do druhého. V tomto případě se odpor prudce změní.

Když proud prochází reostatem, je na něm rozptýlena dostatečná elektrická energie. Pokud je tento výkon vysoký, pak se používají kapalinou chlazená zařízení (na rozdíl od klasických vzduchem chlazených konstrukcí). Zařízení je ponořeno do nádoby s olejem, která slouží nejen jako chladič, ale také jako izolační médium.

Tam, kde není potřeba vysoký výkon (např. v slaboproudých rádiových obvodech), není potřeba používat drát s velkým průřezem. V této oblasti se používají proměnné rezistory stejného principu činnosti, ale vyrobené na základě jiných, nedrátových materiálů – grafitu, kompozitních materiálů, kovů s vysokým měrným odporem, polovodičů atd. Tato zařízení fungují stejně – změnou polohy pohyblivého kontaktu se mění délka aktivního úseku vodiče.

Připojení a konfigurace

Pro regulaci proudu je reostat, jak je znázorněno výše, zapojen do série se zátěží. Stejný proud protéká ovládacím prvkem i zátěží. Nastavením odporu reostatu můžete upravit celkový odpor obvodu a dosáhnout požadované hodnoty proudu.

Pro regulaci napětí je reostat zapojen paralelně ke zdroji energie a zátěž je připojena mezi pohyblivý kontakt a společný vodič. Změnou poměru odporů obou ramen můžete změnit úbytek napětí v odpovídající sekci.

Nevýhodou takového obvodu pro regulaci napětí je, že zatěžovací odpor musí výrazně převyšovat odpor spirály reostatu. V opačném případě spotřebitel obejde spodní rameno děliče a výrazně sníží jeho odpor. Abyste tomu zabránili, můžete znovu použít sériový obvod. V něm bude roli horního ramene děliče hrát reostat a spodního ramene samotná zátěž.

Není zde žádný rozpor. Sekvenční obvod lze uvažovat z druhé strany – při změně proudu zátěží se mění i úbytek napětí na něm U=I*R.

Výhody oproti jiným ovládacím zařízením

Výhodou reostatu, na rozdíl od jiných konstrukcí s proměnným odporem, je jeho přehlednost. Při změně odporu je jasně vidět, jak se mění délka vodiče připojeného k obvodu a jak na to reagují měřicí přístroje. Z tohoto důvodu se reostat často používá pro demonstrační účely – při přednáškách, při hodinách fyziky atd.

Zvláštností reostatu je jeho schopnost pracovat při vysokých proudech. To je usnadněno použitím drátu s velkým průřezem a konstrukcí rámu, která podporuje efektivní odvod tepla (ve formě trubky). Tato funkce umožňuje použití reostatů v laboratořích, například pro testovací zařízení.

Ze stejného důvodu se reostaty používají k regulaci režimů elektromotorů s navinutým rotorem například při rozběhu. Zpočátku je odpor reostatu maximální a se zvyšující se rychlostí jej můžete plynule snížit až na nulu, čímž omezíte startovací proudy. K brzdění motorů lze použít reostaty jako absorbéry elektrické energie, když se motor přepne do režimu generátoru.

Schopnost reostatů odvádět vysoký výkon má za následek jejich nevýhodu – tento výkon se zbytečně odvádí ve formě tepla. Z tohoto důvodu je rozsah použití proměnných rezistorů jako přímých regulátorů proudu a napětí omezený. Pro tyto účely se pro úsporu elektrické energie široce používají pulzní a další obvody. Například ve svařovacích zařízeních se stále častěji používá regulace reostatického proudu – nahrazují ji ekonomičtější a kompaktnější invertorové systémy.

Zařízení s proměnným odporem, vyvinuté na úsvitu elektrotechniky, se však používá dodnes. V některých oblastech není v blízké budoucnosti v dohledu žádná skutečná alternativa k reostatům.

Hodnoty proudu a napětí lze ovládat pomocí speciálního jednoduchého zařízení, které vyvinul Johann Christian Poggendorff. Říká se tomu reostat nebo proměnný odpor. Abychom pochopili princip činnosti zařízení, je nutné zvážit závislost proudu a napětí na hodnotě odporu.

Přehled

Elektrický proud je pohyb volných nabitých částic pod vlivem elektromagnetického pole. Jakákoli látka se skládá z atomů, které tvoří krystalovou mřížku pomocí kovalentních vazeb. Když vodičem protéká elektrický proud, jeho částice interagují s uzly krystalové mřížky. Nosiče náboje mají kinetickou energii (Ek), která závisí na hmotnosti částice (m) a její rychlosti (V3). Je určeno vzorcem: Ek = m * sqr (V3) / 2.

Když se částice srazí s uzly krystalové mřížky, dojde k úplnému nebo částečnému přenosu energie do atomu.

Energetický potenciál volného nosiče náboje je však obnoven, protože je neustále ovlivňován elektromagnetickým polem. Proces interakce částic s atomy se několikrát opakuje, dokud se vliv elektromagnetického pole nezastaví nebo částice zcela neprojde vodičem. Tento fyzikální jev se nazývá elektrický odpor nebo vodivost. Poslední hodnota je převrácená hodnota odporu. Odpor je označen písmenem „R“ a vodivost písmenem „G“.

Jednotkou odporu je Ohm. Vypočítává se pomocí určitých vzorců nebo se měří elektronickým měřicím zařízením nazývaným ohmmetr.

Fyzická závislost

Hodnota R závisí na počtu volných nosičů náboje, jejichž počet je určen na základě elektronického vzorce látky. Lze ji určit z periodické tabulky chemických prvků D.I. Látky jsou klasifikovány podle vodivosti takto: vodiče, polovodiče a izolanty (nevodiče).

Mezi vodiče patří všechny kovy, elektrolyty a ionizované plyny.

V kovech jsou nosiči náboje volné elektrony, v elektrolytech – anionty a kationty a v ionizovaných plynech – elektrony a ionty. Polovodiče jsou schopny za určitých podmínek vést elektrický proud. V polovodičích jsou nosiči náboje volné elektrony a díry. Izolátory nebo dielektrika nejsou schopny vést elektřinu, protože v jejich struktuře nejsou žádné volné nosiče náboje.

Veličina, která určuje druh materiálu a jeho schopnost vedení, se nazývá rezistivita (p). Existuje také převrácená hodnota týkající se měrného odporu. Nazývá se vodivost (σ) a souvisí s p podle následujícího vzorce: p = 1/a. Při provádění výpočtů je nutné vzít v úvahu závislost elektrického odporu materiálu na dalších fyzikálních veličinách nebo faktorech, mezi které patří:

• geometrické součásti;
• elektrické veličiny;
• indikátory teploty.

Tyto tři skupiny faktorů je třeba vzít v úvahu při výrobě reostatů, rezistorů a jiných odporových zátěžových prvků. Při opravách a návrhu zařízení je třeba vzít v úvahu všechny faktory, protože nesprávné výpočty mohou vést k selhání rádiového zařízení.

Mohly by vás zajímat Multimetrové sondy

Geometrie materiálu

Geometrie vodiče (polovodiče) zahrnuje jeho délku (L) a plochu průřezu (S). Hodnotu S lze vypočítat pomocí abstraktního algoritmu, který je vhodný pro všechny formy vodičů a polovodičů. Vypadá to takto:

1. Vizuálně určete tvar obrazce v průřezu (kruh, obdélník nebo čtverec).
2. Najděte v referenčních knihách nebo na internetu vzorec pro zjištění plochy průřezu obrázku.
3. Změřte potřebné geometrické parametry (například průměr) a dosaďte je do vzorce.
4. Provádějte matematické výpočty.

Pokud je vodič lankový (skládá se z mnoha vodičů), měla by být vypočtena plocha průřezu jednoho vodiče a poté vynásobena počtem vodičů. Na základě všeho můžeme odvodit závislost hodnoty odporu na typu látky, délce a ploše průřezu vodiče: R = p * L / S.

Fyzikální význam závislosti je následující: elektrický proud se pohybuje vodičem, jehož typ je určen parametrem p, a jeho částice procházejí určitou délkou L o průřezu S (s malou plochou průřezu dochází k častějším srážkám elektronů s uzly krystalové mřížky).

Geometrické parametry však nejsou jedinými faktory ovlivňujícími hodnotu vodivosti materiálu.

Vliv parametrů elektřiny

Aby bylo možné vzít v úvahu vliv proudu a napětí na R, měli byste věnovat pozornost Ohmovu zákonu. Má dvě formulace používané pro výpočty: pro celý řetězec nebo jeho část. Ohmův zákon pro úplný obvod ukazuje závislost hodnoty proudu (i) na elektromotorické síle (e) a hodnotě R, sestávající ze součtu vnitřního (Rinternal) a vnějšího (External) odporu.

Proměnná Rinternal je vnitřní odpor zdroje energie (generátor, baterie, transformátor atd.). Rext je odpor všech spotřebitelů elektrické energie a spojovacích vodičů. Ohmův zákon pro úplný obvod spojuje všechny tyto veličiny s následujícím vztahem: i = e / (externí + vnitřní). Hodnota Rext je určena vzorcem: Vnější = (e / i) – Vnitřní.

Pro část obvodu je vztah pro zjištění odporu zjednodušen, protože EMF a Rinternal se neberou v úvahu. Tento zákon ukazuje přímo úměrnou závislost proudu (I) na napětí (U) a také nepřímo úměrnou hodnotě odporu R: I = U/R. V některých případech tyto faktory nemusí stačit pro přesné výpočty, protože existuje další závislost – teplotní indikátory materiálu.

Vliv teploty na vodivost

Odpor ovlivňuje vodivost materiálu, ale závisí na teplotě. K prokázání této hypotézy je třeba sestavit elektrický obvod skládající se z následujících součástí: žárovka, zdroj energie (12 V), kus nichromového drátu a ampérmetr. Lze zvolit jakýkoli zdroj napájení.

Mohlo by vás zajímat: Vlastnosti proudové rezonance

Je důležité, aby hodnota napětí nebyla vyšší než jmenovitá hodnota rozdílu potenciálů lampy, to znamená, že baterie je 12 V a lampa musí být také 12 V. Prvky obvodu jsou zapojeny do série. Doporučuje se položit kus drátu na žáruvzdornou cihlu, protože když nichrom protéká elektrický proud, zahřeje se.

Pro sledování aktuálních hodnot, které se budou v průběhu času měnit, je zapotřebí ampérmetr. Lampa je světelné „signalizační zařízení“, které umožňuje vizuálně pozorovat nárůst odporu. Jas jeho záře bude postupně slábnout. Když obvodem protéká proud, Ohmův zákon je vizuálně potvrzen pro část obvodu. Jak se R zvyšuje, proud klesá. Závislost měrného odporu p závisí na následujících proměnných:

1. Tabulková hodnota měrného odporu (p0), vypočtená při teplotě +20 stupňů Celsia.
2. Teplotní koeficient „a“, který se pro kovy považuje za větší než 0 (a > 0) a pro elektrolyty – menší než 0 (a < 0).

Tabulkovou hodnotu p0 lze zjistit ze speciálních elektrotechnických příruček nebo z internetu. Závislost p na teplotě je popsána následujícím vztahem: p = p0 * [1 + a * (t – 20)]. V případě potřeby můžete do vzorce pro závislost R na délce a průřezu dosadit p: R = p0 * [1 + a * (t – 20)] * L / S.

Nemá smysl provádět přesné výpočty odporu, ale tyto vlastnosti je třeba vzít v úvahu při výrobě a opravách různých zařízení.

Odpor by se měl měřit ohmmetrem, ale profesionální radioamatéři doporučují použít multimetr. Je kombinovaný a umožňuje měřit nejen odpor, ale i proud a napětí. Existují modely, které umí měřit frekvenci, testovat polovodičová zařízení atd.

Variabilní odpor

Velmi často je nutné změnit velikost proudu a napětí změnou hodnoty odporu. Tento úkol pomůže splnit jednoduchý rádiový prvek zvaný reostat. Hojně se používá pro úpravu úrovně hlasitosti, zvýšení napětí na laboratorním zdroji atd. Variabilní odpory používané v radiotechnice se liší od laboratorních konstrukcí. Princip fungování těchto radioprvků je však stejný. Části zařízení jsou svým určením velmi podobné. Například posuvný mechanismus, který se používá k regulaci proudu.

Typy a konstrukce reostatů

Reostaty jsou klasifikovány podle jejich konstrukce a způsobu použití. Podle jejich konstrukce jsou reostaty rozděleny do 4 typů: drát, skluz, kapalina a lampa. První typ proměnného odporu se skládá z drátu (materiál s vysokým odporem) a izolačního tělesa. Drátový vodič prochází kontakty, po připojení ke kterým lze získat požadovanou hodnotu odporu.

Posuvný reostat se také skládá z drátu s vysokým měrným odporem, dielektrického tělesa (je na něm navinuto) a jezdce. Při pohybu jezdce se elektrický odpor snižuje nebo zvyšuje. Zařízení se používá v laboratořích při navrhování různých elektrických zařízení, ale i pro provádění experimentů v oblasti fyziky nebo chemie. Kromě toho se modernizovaná verze používá v různých rádiových zařízeních.

Mohl by vás zajímat tento Invertorový měnič napětí z 12 na 220 voltů

Ne příliš častým typem je model kapalného proměnného rezistoru. Má následující strukturu: nádrž s elektrolytickým roztokem a pohyblivými elektrodami.

Pokud zmenšíte vzdálenost mezi elektrodovými deskami, sníží se elektrický odpor.

Reostatem může být také trubkový reostat. Obsahuje sadu žárovek, které jsou zapojeny paralelně. Pokud změníte počet rozsvícených lamp, můžete změnit jejich odpor. Zařízení má však jednu významnou nevýhodu: závislost elektrické vodivosti na teplotě vláken. Podle způsobu aplikace by měly být proměnné rezistory klasifikovány takto:

• odpalovací zařízení;
• předřadníky;
• zátěž;
• pro vzrušení;
• potenciometry.

První typ je určen pro plynulé spouštění elektromotorů. Startovací proměnlivé odpory umožňují plynulé spouštění stejnosměrných elektromotorů a také podporují úpravu síly proudu. Předřadníky by měly být použity v elektrických obvodech pro regulaci zatížitelnosti generátoru elektřiny. Vytvářejí požadované množství odporu v síti. Budicí reostaty se používají v elektrických strojích k absorbování přebytečné energie.

Potenciometr je určen k nastavení hodnoty napětí. Reostat je navržen následovně: tři svorky umožňují získat různé hodnoty jeho hodnoty ze zdroje s pevnou hodnotou napětí. Například snižující transformátor s hodnotou napětí na sekundárním vinutí 36 V. Pomocí 2 tranzistorů, diodového můstku a reostatu lze získat rozsah napětí od 0 do 34 V (2 V je ztráta při usměrnění diodového můstku). Tato funkce umožňuje vyrábět a vyrábět univerzální děliče napětí.

Schéma a princip činnosti

Označení reostatu ve schématu je ve formě obyčejného odporu, ale se šipkou označující proměnnou hodnotu odporu rádiové součásti. Princip činnosti reostatu je poměrně jednoduchý a je založen na závislosti síly proudu na hodnotě odporu. Vodič, který je umístěn na izolačním tělese, je připojen k elektrickému obvodu.

Jezdec je součástí reostatu, který je připojen k jedné z jeho svorek. Když posunete posuvník, upraví se hodnoty proudu nebo napětí.

Reostat může vypadat jako izolační těleso, ze kterého je odstraněn speciální regulátor hodnoty odporu. Některé modely, které se používají v laboratořích, však mohou být otevřeného typu. Mají demonstrovat princip fungování zařízení.

Elektrický proud teče cestou nejmenšího odporu. Proto lze posuvník použít k regulaci toku proudu. Pokud je vodič (materiál s vysokým měrným odporem) plně zapojen, bude hodnota odporu maximální. V případě, že je jezdec uprostřed vodiče, je odpor reostatu roven R / 2. Potenciometr je jako každý typ reostatu zapojen do elektrického obvodu sériově.

Reostat je tedy široce používán v elektrických obvodech a umožňuje regulovat hodnoty proudu a napětí.

Pomohl článek? Hodnotit