選用滑動變阻器要注意三個原則

2012-01-23 00:51:54何海明

物理通報 2012年6期

何海明

(紹興市第一中學浙江紹興 312000)

一次安排學生分組實驗，描繪小燈泡的伏安特性曲線.想不到學生反映電表讀數困難，逐組查看各實驗小組情況,果然如學生所言，移動變阻器滑片，開始電表指針幾乎不動，待行程將要結束時指針突然偏轉，讀數跳躍增大，小燈泡亮度也無法調節.為什么會出現這樣的失控現象呢？原來實驗室教師錯用了50 Ω滑動變阻器，滑動變阻器參數與電路失配.換用5 Ω滑動變阻器后情況正常.

1 滑動變阻器選用的三個原則

怎樣合理選用滑動變阻器？本文從滑動變阻器的基本功能入手分析.滑動變阻器在電路中的基本作用有三個，一是保護電路;二是調控電路;三是多次測量.滑動變阻器的功能決定了滑動變阻器的選用原則，可歸納為以下三個.

(1)安全性好

安全性指兩個方面，滑動變阻器自身的安全和被控電路的安全.滑動變阻器是電阻器件，電流過大會燒壞變阻器導線.所以，滑動變阻器的額定參數多標為額定電流，滑動變阻器在使用過程中，通過變阻器導線每一處的最大電流不能超過額定值.另一個是被控電路的安全性，滑動變阻器滑片全程移動時，被控電路的電壓、電流參數不能超過電路各用電器正常工作的額定值，不能過載.

(2)覆蓋性好

覆蓋性好指變阻器滑片全程移動過程中，電路參數變化的動態范圍不能超出被控電路正常工作的參數范圍,也不能小于被控電路正常工作的參數范圍.滑動變阻器在全程移動時，電路參數變化的動態范圍恰好能覆蓋被控電路正常工作的設計要求，既沒有過度覆蓋,也沒有覆蓋不全.

(3)調控線性好

調控線性好，電路調節方便，電表指針穩定，讀數容易，小燈泡也能漸漸變亮.調控線性好，電路中的電流和電壓變化隨變阻器滑片移動變化平穩.

選用滑動變阻器,安全性和覆蓋性好，通常為人們所重視，調控線性往往被忽視.下面重點分析影響線性好壞的因素，從而找出獲得良好調控線性的滑動變阻器選用方法.

2 滑動變阻器的調控線性分析

滑動變阻器在電路中有分壓和限流兩種接法.我們分別討論它們的調控線性.

2.1 滑動變阻器分壓接法的調控線性分析

描繪小燈泡的伏安特性曲線實驗，滑動變阻器采用分壓接法，因為分壓電路的電壓輸出調節范圍寬，包含零點.如圖1所示，設電源電動勢為E，內阻不計，滑動變阻器電阻為R0，滑片最大行程為L.空載時輸出電壓與滑片行程x有

(1)

圖1

電壓輸出呈線性變化.接入小燈泡后，負載電阻變小，輸出電壓降低.輸出電壓變為

(2)

用滑片行程x代替分壓電阻Rx，輸出電壓Ux變為

(3)

(4)

式中k=0～1.

有負載時，電壓輸出呈非線性變化.

根據中學物理實驗室滑動變阻器配備規格，見表1.我們用電動勢3 V電源，額定值2.5 V，0.3 A的小燈泡進行實驗，畫出滑動變阻器取R1與滑動變阻器取R5的U-k圖線，如圖2.從圖2中可以看出，對同一個小燈泡，變阻器電阻越小，電壓輸出曲線越接近開路直線；變阻器電阻越大，圖線向下凹陷越深，也就是說線性變得越差.線性差表現為前半程曲線過于平坦，電壓區分度不好，是無效行程.后半程曲線太陡，電壓又不好控制.線性嚴重不好給電路調節帶來困難，電表的讀數也變得不穩定，即出現本文開始所描述的現象.所以，滑動變阻器用作分壓器時，在不考慮能耗情況下，選用低阻值滑動變阻器電壓輸出線性好.可簡單歸納為“分壓取小”四字法則.學生分組實驗描繪“2.5 V，0.3 A”小燈泡伏安特性曲線，可選用規格為5 Ω滑動變阻器.

表1 滑動變阻器規格

圖2

2.2 滑動變阻器限流接法的調控線性分析

圖3

(5)

(6)

(7)

圖4

設學生實驗所用金屬絲電阻是5 Ω，電源電動勢3 V，比較滑動變阻器分別取R1=5 Ω,R3=20 Ω,R4=50 Ω時的I-k圖線，如圖4.R1對應圖線平坦，線性較好，但電流變化范圍較小.R4對應圖線向下凹陷最厲害，線性最差.開始部分圖線陡，電流區分度很大，但滑片移動區分度很小，電流不易控制.后半程圖線變得很平坦，電流區分度迅速變小，電流隨滑片移動變化不大，變阻器滑片失去了控制作用，成為無效行程.所以，限流連接時，滑動變阻器阻值與被控制對象的阻值相近較好，一般可取2～3倍左右，歸納稱為“限流相近”四字法則.倍數過大線性變壞，有效行程變短.倍數過小也不好，電流區分度太小，以致滑動變阻器失去控制作用.

3 應用舉例

【例1】(2011年高考上海卷物理第29題)實際電流表有內阻，可等效為理想電流表與電阻的串聯.測量實際電流表G1內阻為r1的電路，如圖5所示.供選擇的儀器如下：

圖5

①待測電流表G1(0～5 mA，內阻約300 Ω)，②電流表G2(0～10m A，內阻約100 Ω)，③定值電阻R1(300 Ω)，④定值電阻R2(10 Ω)，⑤滑動變阻器R3(0～1 000 Ω)，⑥滑動變阻器R4(0～20 Ω)，⑦干電池(1.5 V)，⑧開關S及導線若干.

(1)定值電阻應選__________，滑動變阻器應選__________.(在空格內填寫序號)

(2)用導線連接實物圖.

(3)補全實驗步驟：

1)按電路圖連接電路，__________；

2)閉合開關S，移動滑動觸頭至某一位置，記錄G1，G2的讀數I1，I2；

3)______________________________；

4)以I2為縱坐標，I1為橫坐標，作出相應圖線.

(4)根據I2-I1圖線的斜率k及定值電阻，寫出待測電流表內阻的表達式__________.

解析：(1)將待測電流表G1與定值電阻R1并聯，量程剛好擴大為10 mA，與電流表G2串聯，量程相配.若選用滑動變阻器R3控制電路，因為兩電流表串聯組成的被控電路電阻約為250 Ω，根據上述滑動變阻器調控線性分析，R3阻值太大，無論是分壓接法還是限流接法，線性都不好.所以選用滑動變阻器R4，R4阻值20 Ω采用分壓接法調控線性好.答案為③，⑥.

(2) 實物連接見圖6.

(3)、 (4)答略.