滑動變阻器是中學電學實驗中常用的儀器,它在電路中的接法有分壓和限流兩種,近幾年高考電學設計性實驗命題對其應用多次直接或滲透考查。教材對此又沒有理論的講解,又沒有實際的指導,學生感到無從下手,筆者從多年的教學經驗,結合電路分析,對滑動變阻器的這兩種接法使用作一點探討。
一、滑動變阻器的分壓接法和限流接法的電路分析
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如圖2所示的電路輸入電壓為U0,滑動變阻器總阻值為R0,滑動變阻器對負載R0電流的控制情況作如下的討論:首先,電路中的電流:I= U0RaP+R ,可見,I隨RaP的增大而減小,如圖(b)所示。當Rap=0時,電路中的最大電流Im=U0R ,R兩端的電壓最大Umax=U0。當Rap最大值R0分別為負載電阻1、3、5……倍時,電路中電流的最小值為Im2 、Im4 、Im6 ……負載電阻R兩端的最小電壓Umin為U02 、U04 、U06 ……可以得出結論:限流式接法要能在調節(jié)過程中平緩控制電流,滑動變器阻值要稍大些。一般來說,約為待測電阻的3—10倍。以下情況可選用限流接法:
a.測量時電路電流沒須要求從零開始連續(xù)調節(jié),只是小范圍內測量,且負載電阻R接近或小于滑動變阻器電阻R0,采用滑動變阻器限流接法。
b.電源的放電電流或滑動變阻器的額定電流太小,不能滿足分壓接法的要求,應采用滑動變阻器限流接法。
c.沒有很高的要求,僅從安全性和精確性角度分析兩者無可采用時可考慮安裝簡便和節(jié)能因素采用滑動變阻器限流接法。
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如圖1所示的電路中,滑動變阻器總電阻為R 0,輸入電壓為U0,負載電阻R兩端的電壓U隨變阻器調節(jié)變化情況作如下的討論:首先,不接負載R時,輸出端的電壓U=U0R0 Rap,可見,U與成正比,輸出電壓電線性的,如圖1(b)中①所示。換言之,觸頭P在ab間移動時,左半部分分得的電壓是均勻變化的,電壓的變化范圍是0—U0。其次,當滑動變阻器的aP連接負載電阻R時,P點左邊電路的等效電阻減小,與P點右邊部分串聯(lián)而得的電壓將比原來減小,如圖1(b)②所示。再次,當負載電阻R很小,對于確定的Rap,左部分分得的電壓將更小,如圖如圖1(b)③所示。可以得出結論:分壓接法要能通過連續(xù)調節(jié)滑動變阻器得到平緩變化的電壓,負載阻值應該較大。換言之,分壓接法滑動變阻器應該選用阻值相對較小的。在下面三種情況下必須選擇分壓接法:
a.要使某部分電路的電壓或電流從零開始連續(xù)調節(jié),只有滑動變阻器分壓接法的電路才能滿足
b.如果實驗所提供的電壓表、電流表量程或電阻元件允許最大電流較小,采用限流接法時,無論怎樣調節(jié),電路中實際電流都會超過電表量程或電阻元件允許的最大電流,為了保證電表和電阻元件免受損壞,必須采用滑動變阻器分壓接法連接電路。
c.伏安法測電阻實驗中,若所用的變阻器阻值小于待測電阻阻值,若采用限流接法時,即使變阻器觸頭從一端滑至另一端,待測電阻上的電流變化小,這不利于多次測量求平均值或用圖像法處理數據,為了變阻器遠小于待測電阻阻值的情況下能大范圍地調節(jié)待測電阻上的電流,應選擇滑動變阻器的分壓接法。
二、滑動變阻器分壓接法和限流接法的選擇
滑動變阻器分壓接法和限流接法都能調節(jié)負載的電流,但在相同條件下的調節(jié)效果不同,實際應用要根據情況恰當地選擇適當的方法。通常情況下,由于限流電路能耗較小,結構連接簡單,因此,優(yōu)先考慮以限流接法為主。
三、分壓接法和限流接法的比較
滑動變阻器接入電路后,它本身也要消耗電能,不同的接法造成的功率消耗是不一樣的。當負載R通過相同的電流IR時,分壓電路接法中的總電流I=IR+IaP;在限流接法電路中的總電I=IR。故分壓式接法時電路總電流大,電源的輸出功率較大,也就是說電路消耗的額外功率大。
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