§ 43. Реостаты

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕОСТАТА

В практической электротехнике очень редко требуется, чтобы сила тока в цепи оставалась неизменной. Нам постоянно нужно регулировать яркость ламп освещения, громкость звука в динамиках, скорость вращения электродвигателей станков, поездов метро или вентиляторов.

Согласно закону Ома для участка цепи ($I = U / R$), изменить силу тока в нагрузке при постоянном напряжении источника питания можно только одним способом — изменив электрическое сопротивление этой цепи. Прибор, позволяющий плавно или ступенчато регулировать сопротивление, а следовательно, силу тока и напряжение, называют реостатом (или переменным резистором).

Физический принцип работы большинства реостатов основан на прямой пропорциональной зависимости сопротивления проводника от его длины:

Если площадь сечения $S$ и материал $\rho$ остаются постоянными, то при изменении длины участка проводника, по которому течёт ток, его электрическое сопротивление изменяется прямо пропорционально этой длине.

• Простейшая демонстрационная модель (рис. 104):

На двух изолирующих штативах натягивают проволоку из сплава с высоким удельным сопротивлением (никелина или фехраля). Один контакт цепи $A$ жёстко закрепляют на начале проволоки, а второй контакт $C$ делают подвижным (скользящим). При перемещении контакта $C$ вдоль проволоки изменяется длина включённого в цепь участка $AC$. При удлинении участка сопротивление возрастает и стрелка амперметра фиксирует падение силы тока; при приближении контакта $C$ к точке $A$ длина проводника сокращается, сопротивление падает, а ток в цепи возрастает.

УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПОЛЗУНКОВОГО РЕОСТАТА

Натягивать длинные отрезки проволоки на практике неудобно: прибор получился бы громоздким. Поэтому проволоку сворачивают в компактную спираль. В школьных лабораториях и промышленных стендах наиболее распространён ползунковый реостат (рис. 105, а):

1. Изолирующий каркас: полая керамическая (фарфоровая) трубка-цилиндр высокой механической и термической прочности.
2. Проводящая обмотка: на цилиндр плотно виток к витку намотана нихромовая или константановая проволока. Проволока предварительно подвергается термическому оксидированию: на её поверхности образуется тончайший слой окалины (оксида), который служит надёжным диэлектриком и предотвращает короткое замыкание между соседними витками.
3. Направляющий стержень и ползунок: над обмоткой параллельно оси цилиндра закреплён массивный металлический стержень с низким электрическим сопротивлением. По нему свободно перемещается ползунок с упругими контактами. Контакты ползунка с силой прижимаются к виткам обмотки. В месте соприкосновения скользящий контакт сдирает слой окалины, создавая надёжный электрический контакт между металлическим стержнем и витком обмотки.
4. Клеммы для подключения: реостат имеет изолированные клеммы. Одна клемма соединена с металлическим стержнем ползунка, а вторая — с одним из концов проволочной обмотки цилиндра.

Протекание тока через реостат:

Ток от источника поступает на клемму стержня, проходит по стержню до ползунка, через скользящий контакт переходит в обмотку и течёт по виткам нихромовой проволоки до выходной нижней клеммы. При сдвиге ползунка в сторону, противоположную рабочей клемме, число включённых витков увеличивается, длина проводника растёт, сопротивление реостата увеличивается, а сила тока в цепи уменьшается.

ПАСПОРТНЫЕ ДАННЫЕ И ОБОЗНАЧЕНИЕ НА СХЕМАХ

На каждом лабораторном или техническом реостате обязательно указываются две ключевые паспортные величины:

• Максимальное сопротивление (например, $20$ Ом, $50$ Ом): сопротивление реостата, когда ползунок отодвинут в крайнее положение и в цепь включены абсолютно все витки обмотки.
• Допустимая сила тока (например, $1{,}5$ А, $2$ А): предельный ток, который может долговременно протекать через нихромовую обмотку без опасного перегрева.

⚠️ Правило электробезопасности: Если пропустить через реостат ток, превышающий допустимое паспортное значение, нихромовая проволока раскалится докрасна, изоляционная окалина выгорит, витки закоротят между собой, а каркас может треснуть от термического расширения. Перед замыканием цепи ползунок реостата всегда выводят в положение максимального сопротивления, чтобы бросок начального тока не повредил измерительные приборы.

Обозначение на электрических схемах (рис. 105, б):

Реостат обозначается стандартным прямоугольником постоянного резистора, над которым изображена стрелка, символизирующая подвижный скользящий контакт (ползунок).

ПРИМЕНЕНИЕ РЕОСТАТОВ В ТЕХНИКЕ

В современной технике реостаты применяются в самых разнообразных модификациях:

• Пускорегулирующие реостаты: используются на электрическом транспорте (трамваи, троллейбусы, электропоезда, крановые лебёдки) для плавного и безударного разгона тяговых двигателей постоянного тока.
• Потенциометры (делители напряжения): если к крайним клеммам обмотки реостата приложить полное напряжение источника, а нагрузку подключить между одним концом и ползунком, реостат работает как плавный регулятор выходного напряжения от нуля до максимума. По такому принципу устроены механические регуляторы громкости аудиоаппаратуры и радиоприёмников.
• Ступенчатые (рычажные) реостаты: состоят из набора спиралей постоянного сопротивления, переключаемых контактным рычагом с одного контакта на другой.