Potentiometer: Materialien, Bauweise und Anwendungen

Ein Rheostat ist eine Art verstellbarer Widerstand, der die Stromstärke oder Spannung in einem elektrischen Schaltkreis einstellen kann. Rheostate werden oft als Leistungssteuerungselemente verwendet, wie zum Beispiel zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Elektromotors, der Helligkeit einer Lampe oder der Temperatur eines elektrischen Ofens. Rheostate werden auch verwendet, um unbekannte Spannungen oder Potenzialunterschiede durch Ausgleich mit bekannten zu messen.

Was ist ein Rheostat?

Ein Rheostat wird definiert als ein Gerät, das den Widerstand in einem elektrischen Schaltkreis verändern kann, indem die Position eines Kontaktpunktes entlang eines widerstandsbehafteten Elements geändert wird.

Das widerstandsbehaftete Element kann aus einem Metalldraht, einem Kohlenstoffstab oder einer flüssigen Lösung bestehen. Der Kontaktpunkt kann ein gleitendes Terminal, ein drehbares Knopf oder ein Wischerarm sein.

Der Widerstand eines Rheostats hängt von der Länge und dem Querschnitt des widerstandsbehafteten Elements sowie vom Material ab, aus dem es hergestellt ist. Der Widerstand kann mit der Formel berechnet werden:

wobei R der Widerstand, ρ die Spezifische Widerstandszahl des Materials, l die Länge des widerstandsbehafteten Elements und A der Querschnitt sind.

Der Strom durch einen Rheostat kann gesteuert werden, indem der Kontaktpunkt näher an oder weiter von einem Ende des widerstandsbehafteten Elements bewegt wird. Je näher der Kontaktpunkt an einem Ende ist, desto geringer der Widerstand und desto höher der Strom. Je weiter der Kontaktpunkt von einem Ende entfernt ist, desto höher der Widerstand und desto geringer der Strom.

Wie werden Rheostate konstruiert?

Rheostate können auf verschiedene Weisen konstruiert werden, je nach Anwendung und Spezifikationen. Einige häufige Arten von Rheostaten sind:

• Drahtgewickelte Rheostate: Diese werden hergestellt, indem ein langer Draht aus einem Material mit hoher spezifischer Widerstandszahl um einen isolierenden Kern, wie Keramik oder Kunststoff, gewickelt wird.

  

• Der Draht kann in einer Spiral- oder Helixform gewickelt sein. Ein gleitendes Terminal oder ein drehbares Knopf kann entlang des Drahtes bewegt werden, um den Widerstand zu ändern. Drahtgewickelte Rheostate eignen sich für hohe Ströme und niedrige Spannungen.

• Kohlenstoffrheostate: Diese werden hergestellt, indem ein Kohlenstoffstab oder -platte als widerstandsbehaftetes Element verwendet wird. Ein Wischerarm kann entlang der Kohlenstoffoberfläche bewegt werden, um den Widerstand zu ändern. Kohlenstoffrheostate eignen sich für niedrige Ströme und hohe Spannungen.

• Flüssigkeitsrheostate: Diese werden hergestellt, indem eine leitfähige Flüssigkeitslösung, wie Salzwasser oder Säure, als widerstandsbehaftetes Element verwendet wird. Zwei Elektroden werden in die Flüssigkeit getaucht und mit der Stromquelle und der Last verbunden. Der Abstand zwischen den Elektroden kann variiert werden, um den Widerstand zu ändern. Flüssigkeitsrheostate eignen sich für sehr hohe Ströme und niedrige Spannungen.

Welche Materialien werden für Rheostate verwendet?

Die Materialien, die für Rheostate verwendet werden, sollten eine hohe spezifische Widerstandszahl, eine hohe Arbeits temperatur, eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine geeignete mechanische Festigkeit, eine geeignete Dehnbarkeit und einen geringen Kosten haben. Einige häufig verwendete Materialien für Rheostate sind:

• Platin: Platin ist ein edles Metall, das eine sehr hohe spezifische Widerstandszahl und Schmelzpunkt hat. Es hat auch eine hohe Beständigkeit gegen Oxidation, hohe Dehnbarkeit, hohe Verformbarkeit, gute mechanische Festigkeit und gute Stabilität bei Temperatur und mechanischem Druck. Allerdings ist Platin sehr teuer und selten, so dass seine Verwendung in der Elektrotechnik auf Laborofen, Widerstandsthermometer und einige Rheostate beschränkt ist.

• Constantan: Constantan ist eine Kupfer-Nickel-Legierung, die einen niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, was bedeutet, dass ihre spezifische Widerstandszahl über einen weiten Temperaturbereich konstant bleibt. Es hat auch eine hohe Beständigkeit gegen Oxidation, gute mechanische Festigkeit und gute Stabilität bei Temperatur und mechanischem Druck. Constantan wird weit verbreitet für elektrische Verbindungen in Instrumenten, wie Shunt- Widerständen, Serien- Widerständen, Sumpfwiderständen, Standardwiderständen und Rheostaten verwendet.

• Nichrom: Nichrom ist eine Nickel-Chrom-Legierung, die eine hohe spezifische Widerstandszahl und Schmelzpunkte hat. Es hat auch eine hohe Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion, gute mechanische Festigkeit und gute Dehnbarkeit. Nichrom wird weit verbreitet für Heizelemente und drahtgewickelte Rheostate verwendet.

Welche Anwendungen haben Rheostate?

Rheostate haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Ingenieurwissenschaften und der Naturwissenschaften. Einige Beispiele sind:

• Leistungssteuerung: Rheostate können verwendet werden, um die Leistungsausgabe von Geräten wie Elektromotoren, Lampen, Öfen, Brennern usw. zu steuern. Indem der Widerstand eines Rheostats in Serie mit einem Gerät variiert wird, kann die Spannung oder der Strom, der ihm zugeführt wird, eingestellt werden.

• Spannungsteiler: Rheostate können verwendet werden, um eine Spannungsquelle in kleinere Bruchteile aufzuteilen, indem sie in Reihe miteinander verbunden werden. Indem der Widerstand eines oder mehrerer Rheostate in einem Spannungsteilercircuit variiert wird, können verschiedene Ausgangsspannungen erzielt werden.

• Potentiometer: Rheostate können verwendet werden, um eine unbekannte Spannung oder Potentialdifferenz durch Ausgleich mit einer bekannten zu messen. Ein Potentiometer ist eine Art Rheostat, das drei Anschlüsse hat: einer ist mit einem festen Ende des widerstandsbehafteten Elements verbunden, einer ist mit einem variablen Kontakt entlang desselben verbunden, und einer ist mit einem externen Schaltkreis verbunden. Indem die Position des Kontakt punkts bis zum Punkt eingestellt wird, an dem kein Strom durch ihn fließt (d.h., wenn beide Spannungen gleich sind), kann die unbekannte Spannung bestimmt werden.

• Dehnungsmessstreifen: Rheostate können verwendet werden, um Dehnungen (d.h. Verformungen) in Materialien durch Änderung ihres Widerstands unter Belastung (d.h. Kraft) zu messen. Ein Dehnungsmessstreifen ist eine Art Rheostat, das zwei Anschlüsse hat, die mit gegenüberliegenden Enden eines