すべり抵抗器で明るさを調節する
学習指導要領： KS3, GCSE, Sek I
目的¶
すべり抵抗器で、電流と電球の明るさをなめらかに調節します。
実験装置¶
6 V の電圧源、電流計、100 Ω のすべり抵抗器、6 V / 3 W の電球が直列につながれています。すべり抵抗器のうち、左端からスライダーまでの部分が回路に入っていて、スライダーは 30%（30 Ω）の位置にあります。
手順¶
- 電流計の示す値を記録します。
- スライダーを左端まで動かし、もう一度電流を記録します。
- スライダーを右端まで動かします。
- 電球が半分の明るさで光る位置を見つけます。
予想される結果
30 Ω では電流は約 165 mA です。左端ではすべり抵抗器の抵抗はほぼゼロで、電流は約 0.5 A になり、電球は本来の明るさで点灯します。右端（100 Ω）では電流は約 55〜60 mA に下がり、電流は流れているのに電球はまったく光りません。電球にかかる電圧は 0.2 V 未満で、フィラメントは 900 K までしか熱くならず、目に見える光が出始めるのは約 1000 K からです。
問題¶
- 電流が段階的にではなく、なめらかに変わるのはなぜですか。
- 電流を半分にするには、すべり抵抗器のどれだけの部分を回路に入れる必要がありますか。
解答
- スライダーを動かすと、回路に入っている抵抗線の長さが変わり、それとともに抵抗も、スライダーを動かした分だけ少しずつ変わるので、電流 \(I = U / R\) も少しずつ変わります。実際の巻線形のすべり抵抗器では、スライダーは抵抗線の1巻きから次の1巻きへと移り、抵抗は1巻き分ずつのごく小さな段階で変わりますが、シミュレータでは連続的に変わります。
- 抵抗が一定の電球なら、すべり抵抗器が加える抵抗は電球自身の 12 Ω（6 V / 0.5 A）と同じでよいはずです。電流が減るとフィラメントは冷えて抵抗が小さくなるので、それより多く必要です。電流が半分の約 0.24 A では電球にかかる電圧は約 1.8 V だけで、残りの電圧はすべり抵抗器が約 17 Ω、つまり全長の6分の1で受けもたなければなりません。