變阻器兩種接法的比較與選擇

華興恒

滑動(dòng)變阻器是電學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用率極高的儀器，其用法也是歷年高考的考查熱點(diǎn)，其連入電路時(shí)通常有分壓和限流兩種連接方法.下面對兩種接法作一簡單比較.

分壓式限流式比較

電路圖

負(fù)載R0上電壓變化范圍0～E（電源內(nèi)阻不計(jì)）R0ER0+R～E

分壓調(diào)整范圍大

負(fù)載R0上電流變化范圍0～ER0ER0+R～E

分流調(diào)整范圍大

閉合開關(guān)前觸點(diǎn)所處位置左端左端

全電路消耗的總功率P=EI總E（IR0+IRPB）E·IR0限流能耗小

一、選擇連接方式的原則

由上表可見，滑動(dòng)變阻器的兩種電路連接方法均能控制負(fù)載的電流、電壓，但兩種接法之間還是有一些差異的，對不同的負(fù)載產(chǎn)生的效果不同，在應(yīng)用時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況取長避短，應(yīng)遵循以下原則：

1. 安全原則：變阻器是一種控制器件，在電路中除了調(diào)節(jié)功能之外，還有重要的保護(hù)功能.選擇接法時(shí)要考慮儀表量程及器件的額定功率等因素，以保證儀表、器件的安全使用，這是實(shí)驗(yàn)得以正常開展的前提.

2. 達(dá)標(biāo)原則：有了安全的前提保障，在選擇接法時(shí)必須致力于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的實(shí)現(xiàn).

3. 求精原則：在目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)上，要精益求精，力求達(dá)到更為理想、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.如盡可能使電流表、電壓表的指針偏過較大角度（一半以上），以準(zhǔn)確讀數(shù).

4. 簡便節(jié)能的原則：如果變阻器兩種用法均能得出理想的結(jié)果，由前面列表對比可知：限流電路連接簡便，并且比分壓電路省了一根導(dǎo)線；此外，在負(fù)載工作電流一致的情況下，限流電路的總電流較小，總功耗較小，結(jié)構(gòu)簡單，可謂省料節(jié)能，應(yīng)優(yōu)先考慮.

對于教材中一些常見的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，如伏安法測電阻、測電源的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻以及測金屬絲的電阻率等，由于實(shí)驗(yàn)本身對電壓、電流的調(diào)節(jié)無甚特殊要求，基于本條原則，課本上給出的電路圖中變阻器均采用了限流式的接法，大家也就不難理解了.

二、電流表內(nèi)、外接法的選擇

由于電流表、電壓表內(nèi)阻的影響，不論采用電流表內(nèi)接法還是外接法都不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差.因此為了減小誤差，當(dāng)RxRA>RVRx時(shí)，一般采用電流表內(nèi)接法；當(dāng)RxRA

三、兩種電路的使用條件

1. 分壓電路的使用條件

（1） 當(dāng)用電器電阻遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的最大阻值，且實(shí)驗(yàn)要求的電壓變化范圍較大（或要求測量多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）時(shí)，必須采用分壓電路.

（2） 電源電動(dòng)勢過大，盡管滑動(dòng)變阻器的阻值也較大，但總電流大于負(fù)載的額定電流值，或大于所給電表的量程時(shí)，必須選用分壓電路.

（3） 要求回路中某部分電路的電流或電壓從零開始可以連續(xù)變化時(shí)，必須采用分壓電路.

2. 限流電路的使用條件

（1） 在負(fù)載電流相同的情況下，限流電路中干路電流比分壓電路中干路電流小，所以限流電路中消耗的總功率小，從減小電能損耗的角度考慮，必須選用限流電路.

（2） 用較大阻值的滑動(dòng)變阻器控制小阻值的負(fù)載，且在負(fù)載和電表安全的前提下，必須選用限流電路.

例1某電壓表的內(nèi)阻在20 kΩ～50 kΩ之間，現(xiàn)要測量其內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)室提供下列可供選用的器材：待測電壓表（量程0～3 V），電流表A1（量程200 μA），電流表A2（量程50 mA）， 電流表A3（量程0.6 A），滑動(dòng)變阻器R （最大阻值1 kΩ），電源E（4 V），開關(guān)S，導(dǎo)線若干.

（1） 所提供的電流表中，應(yīng)選用（填字母代號(hào)）；

（2） 為了盡量減小誤差，要求測出多組數(shù)據(jù)，請你畫出實(shí)驗(yàn)電路圖.

解析（1） 電路中的最大電流Imax=ERV=0.2mA（RV用20 kΩ代入），故電流表應(yīng)選A1.

（2） 滑動(dòng)變阻器的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電壓表的內(nèi)阻RV，且要求測多組數(shù)據(jù)，故用變阻器的分壓連接.若變阻器接成限流電路，由于RRV，圖1實(shí)驗(yàn)測量的IV、UV幾乎不隨R的變化而改變，很難測出幾組明顯不同的值，更談不上盡量減小誤差.實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示.

例2為測一個(gè)阻值約為25 kΩ的電阻，備有下列實(shí)驗(yàn)器材：

A. 電流表（量程100 μA，內(nèi)阻2 kΩ）；

B. 電流表（量程500 μA，內(nèi)阻300 Ω）；

C. 電壓表（量程10 V，內(nèi)阻100 kΩ）；

D. 電壓表（量程50 V，內(nèi)阻500 kΩ）；

E. 直流穩(wěn)壓電源（電動(dòng)勢15 V，最大電流1 A）；

F. 滑動(dòng)變阻器（最大阻值10 kΩ）；

G. 導(dǎo)線若干.

（1） 電流表應(yīng)選，電壓表應(yīng)選；

（2） 畫出測量的電路圖.

解析如果滑動(dòng)變阻器采用限流接法，由于其總電阻值較小，使待測電阻分得的電壓較大，超出了電壓表C的量程，根據(jù)安全原則似應(yīng)選電壓表D.用電壓表D實(shí)驗(yàn)雖能得出結(jié)果，但因所測電壓的最大值尚不到其量程的13，讀圖2數(shù)的相對誤差大.為此宜選用電壓表C，并相應(yīng)采取變阻器的分壓接法，可以保證在電壓表C的量程內(nèi)使用，提高了測讀的精確度.估算Rx上的最大電流Imax=UmaxRmax=10V25kΩ=400μA，故電流表宜選用B并采用內(nèi)接法（因RARx）.電路如圖2所示.

例3一電阻額定功率為0.01 W，阻值未知，用歐姆表測其阻值約為40 kΩ.試設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娐罚梅卜ㄝ^精確測得其阻值.有下列器材供選用.

A. 電流表，量程300 μA，內(nèi)阻150 Ω；

B. 電流表，量程1000 μA，內(nèi)阻45Ω；

C. 電壓表，量程3 V，內(nèi)阻6 kΩ；

D. 電壓表，量程15 V，內(nèi)阻30 kΩ；

E. 電壓表，量程50 V，內(nèi)阻100 kΩ；

F. 1.5 V的干電池兩節(jié)；

G. 直流電源，輸出電壓為6 V，額定電流3 A；

H. 直流電源，輸出電壓為24 V，額定電流0.5 A；

I. 直流電源，輸出電壓為100 V，額定電流0.1 A；

J. 滑動(dòng)變阻器，0～50 Ω，額定功率3 W；

K. 滑動(dòng)變阻器，0～2 kΩ，額定功率1 W；

L. 開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干.

應(yīng)該選用的器材是，畫出實(shí)驗(yàn)的電路圖.

解析根據(jù)估算待測電阻的最大電流、電壓，選定電流表、電壓表、電源、滑動(dòng)變阻器等，再確定實(shí)驗(yàn)電路.

（1） 選擇實(shí)驗(yàn)器材：待測電阻的最大電流Imax=PR=0.01W40000Ω=500 μA；最大電壓Umax=PR=0.01W×40000Ω=20 V.若選用量程為1000 μA的電流表，實(shí)驗(yàn)中指針只能在半偏轉(zhuǎn)以下讀數(shù)，引起的偶然誤差較大，故應(yīng)選用量程300 μA的電流表.

待測電阻的最大實(shí)際電壓約為U=IR=3×10-4 A×40×103 Ω=12 V，故應(yīng)選量程為15 V的電壓表.

電源選用輸出電壓為24 V的直流電源.因待測電阻的阻值遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器最大阻值，故應(yīng)采用分壓接法.若用0～50 Ω的滑動(dòng)變阻器，其最小電流約為I

min=UR=24V50Ω≈ 0.5 A，最小功率為Pmin=I2R=（0.5 A）2×50 Ω=12.5 W，遠(yuǎn)大于其額定功率3 W；而用0～2 kΩ的滑動(dòng)變阻器，其最小電流I′min=UR=24V2000Ω=0.012 A，最小功率為P′min=I2R=（0.012 A）2×2000 Ω=0.288 W，小于其額定功率1 W.故應(yīng)選用0～2 kΩ的滑動(dòng)變阻器.

綜上所述，知應(yīng)選用的器材是A、D、H、K、L.

（2） 選擇實(shí)驗(yàn)電路：因待測電阻Rx的阻值（約為40 kΩ）與所選量程15 V的電壓表的內(nèi)阻RV （30 kΩ）接近，故采用電流表內(nèi)接法；因待測電阻的阻值遠(yuǎn)大于所選用0～2 kΩ滑動(dòng)變阻器的阻值，宜采用分壓解法，電路如圖3所示.

（收稿日期：2015-02-09）