úvod
Doteraz mali rezistory v obvode stály odpor. V mnohých prístrojoch však treba prúd alebo napätie meniť plynulo: zoslabiť svetlo, stíšiť hudbu, spomaliť motor. Na to slúžia súčiastky s pohyblivým jazdcom.
teória
Reostat
Reostat je odporový drôt navinutý na izolačnom valci. Po závitoch sa posúva jazdec a prúd prechádza len tou časťou drôtu, ktorá je medzi koncom a jazdcom. Posunutím jazdca teda meníš odpor.
Reostat sa zapája za sebou so spotrebičom. Keď jeho odpor zväčšíš, celkový odpor obvodu narastie, prúd klesne a žiarovka svieti slabšie. Takto sa kedysi stmievali svetlá v divadle a riadila rýchlosť elektrických vláčikov.
Príklad: žiarovka 3,5 V / 0,2 A má svietiť naplno z batérie 4,5 V. Na reostate musí ostať 4,5 V − 3,5 V = 1 V pri prúde 0,2 A, teda podľa Ohmovho zákona R = 1 V : 0,2 A = 5 Ω.
teória
Potenciometer a delič napätia
Potenciometer vyzerá podobne, má však tri vývody: dva konce odporovej dráhy a jazdec. Konce pripojíš na zdroj, celou dráhou ide prúd a napätie sa po nej rovnomerne rozloží. Medzi jazdcom a záporným koncom je potom časť napätia zdroja: jazdec v strede dá polovicu, na štvrtine dráhy štvrtinu. Takto dostaneš z jednej batérie ľubovoľné napätie od nuly po jej plné napätie.
Takému zapojeniu sa hovorí delič napätia. Potenciometer je v gombíku hlasitosti, v stmievači, v páke herného ovládača aj v plynovom pedáli auta.
súčiastky v stavebnici
Čo je čo
Hore značka, ktorou súčiastku kreslíš do schémy, pod ňou ako vyzerá naozaj. V stavebnici ich prepneš tlačidlom Schéma a Reálne.
- ReostatRezistor, ktorému meníš odpor jazdcom. Zapája sa za sebou so spotrebičom: väčší odpor, menší prúd. Tak sa kedysi stmievali svetlá a regulovali motory.Jazdec na nule znamená nulový odpor. Reostat potom prúd vôbec neobmedzí.
- PotenciometerSŠOdporová dráha s jazdcom a tromi vývodmi. Konce pripojíš na zdroj a z jazdca odoberieš časť napätia, od nuly po celé napätie zdroja. Je v každom otočnom gombíku hlasitosti.Ako delič napätia dá presné napätie len vtedy, keď spotrebič na jazdci berie malý prúd.
V stavebnici najprv s Pingom postavíš stmievač s reostatom. Potom zapojíš žiarovku s reostatom podľa schémy a nastavíš jazdec potenciometra tak, aby voltmeter ukázal presne zadané napätie.
vyskúšaj si
Stavebnica: stmievač a delič napätia
Stavebnica sa načíta v prehliadači.
teória
Prúd v rozvetvení
Miesto, kde sa stretnú tri a viac vodičov, sa volá uzol. Prúd sa v ňom rozdelí do vetiev, ale nikde sa nestratí ani nepribudne: čo do uzla vtečie, to z neho aj vytečie. Keď do uzla vteká 1 A a jednou vetvou odteká 0,4 A, druhou musí odtekať 0,6 A. Je to podobné ako s vodou v rozvetvenom potrubí.
Zapamätaj si: reostat zapojený za sebou mení prúd, potenciometer s tromi vývodmi delí napätie. V uzle sa prúdy sčítajú: koľko vtečie, toľko vytečie.
Kirchhoffove zákony
Pravidlá pre rozvetvené obvody sformuloval v roku 1845 nemecký fyzik Gustav Robert Kirchhoff.
1. Kirchhoffov zákon (o uzle): súčet prúdov, ktoré do uzla vtekajú, sa rovná súčtu prúdov, ktoré z neho vytekajú. Ak prúdy do uzla počítame kladne a z uzla záporne, ich súčet je nulový: I₁ + I₂ + … + Iₙ = 0. Zákon vyjadruje, že sa náboj v uzle nehromadí ani nestráca.
2. Kirchhoffov zákon (o slučke): v každej uzavretej slučke obvodu sa súčet elektromotorických napätí zdrojov rovná súčtu úbytkov napätia na odporoch, ΣUₑ = Σ R · I. Je to zákon zachovania energie: energiu, ktorú náboju dodajú zdroje, odovzdá na odporoch.
Príklad: zdroj 12 V a tri rezistory za sebou. Na prvom je 3 V, na druhom 5 V, a tak na treťom musí byť 12 V − 3 V − 5 V = 4 V.
Výpočet deliča napätia
Dva rezistory R₁ a R₂ za sebou na napätí U tvoria delič. Ide nimi rovnaký prúd I = U : (R₁ + R₂), a tak je na spodnom rezistore
U₂ = R₂ · I = U · R₂ : (R₁ + R₂)
Napätie sa delí v pomere odporov, väčší odpor dostane väčšiu časť. Keď k R₂ pripojíš spotrebič s odporom Rₛ, sú vedľa seba a ich spoločný odpor je menší ako R₂. Výstupné napätie zaťaženého deliča preto klesne. Delič dáva presné napätie len vtedy, keď spotrebič berie oveľa menší prúd ako samotný delič, napríklad voltmeter alebo báza tranzistora.
Wheatstoneov mostík
Štyri rezistory zapojené do štvorca s ampérmetrom v priečke tvoria Wheatstoneov mostík. Keď platí R₁ : R₂ = R₃ : R₄, sú oba konce priečky na rovnakom napätí a priečkou nejde prúd. Mostík je potom vyvážený. Z troch známych odporov tak presne určíš štvrtý, neznámy. Na mostíku pracujú presné meracie prístroje aj snímače tlaku a teploty.
skús doma Stmievač z ceruzky
Potrebuješ: mäkká ceruzka (najlepšie 6B až 8B), papier, plochá batéria 4,5 V alebo 9 V batéria, červená LED, tri vodiče, najlepšie s krokosvorkami.
- Nakresli na papier hrubú tmavú čiaru dlhú asi 10 cm. Prejdi ju ceruzkou viackrát, kým sa neleskne.
- Spoj kladný pól batérie s dlhšou nožičkou LED. Od kratšej nožičky veď vodič na jeden koniec čiary a pritlač ho.
- Tretí vodič veď od záporného pólu. Jeho koncom sa dotkni čiary pri druhom konci a pomaly ho posúvaj bližšie. LED svieti stále jasnejšie.
- V tme to uvidíš najlepšie. Nakresli aj čiaru tvrdou ceruzkou (H). Svieti LED pri nej slabšie?
Prečo? Grafitová čiara je reostat. Čím dlhší kus čiary je v obvode, tým väčší má odpor a tým menší prúd ide cez LED. Posúvaním vodiča meníš dĺžku odporovej dráhy, presne ako jazdec reostatu. Tvrdá ceruzka má v tuhe viac hliny a menej grafitu, preto má čiara väčší odpor.
Koniec vodiča nikdy nedávaj priamo na vodič od LED. Bez čiary by ňou išiel veľký prúd a spálila by sa. Nikdy nie zásuvka.
rozšírenie Ako vie navigácia, kam ťukáš
Starší dotykový displej (napríklad v bankomate alebo v navigácii) má dve priehľadné vodivé vrstvy tesne nad sebou. Na jednu sa privedie napätie, takže sa po nej rovnomerne rozloží ako po dráhe potenciometra. Keď na displej zatlačíš, vrstvy sa v tom mieste dotknú a druhá vrstva funguje ako jazdec. Z napätia, ktoré na nej prístroj zmeria, vypočíta polohu prsta. Potom sa úloha vrstiev vymení a zmeria sa druhá súradnica. Moderné mobily používajú iný princíp, ktorý využíva kondenzátor.
teória
Časté chyby
- „Reostat sa zapája vedľa spotrebiča.“ Na zmenu prúdu musí byť za sebou so spotrebičom, inak cezeň ide samostatný prúd a spotrebič svieti rovnako.
- „Jazdec na nule znamená, že obvod je vypnutý.“ Pri nulovom odpore reostat prúd vôbec neobmedzí a spotrebič dostane celé napätie.
- „Potenciometer vyrába napätie.“ Potenciometer napätie zdroja len delí, väčšie ako napätie zdroja z neho nedostaneš.
- „Prúd sa v uzle spotrebuje.“ Súčet prúdov do uzla sa vždy rovná súčtu prúdov z uzla.
Čo sa deje vo vnútri batérie a prečo jej napätie pri veľkom odbere klesá, ukazuje ďalšia lekcia Zdroj napätia a vnútorný odpor.