石大在線物理實驗二伏安特性曲線實驗報告

1、中國石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育實驗報告課程名稱：大學(xué)物理（二）實驗名稱：電學(xué)元件伏安特性研究實驗形式：在線模擬+現(xiàn)場實踐提交形式：提交書面實驗報告學(xué)生姓名：學(xué)號：年級專業(yè)層次：學(xué)習(xí)中心：提交時間：年 月 日一、實驗?zāi)康? .學(xué)會測繪未知物理量之間的關(guān)系曲線。2 .學(xué)會建立經(jīng)驗公式的基本方法。3 .學(xué)習(xí)正確選用測量電路來減小系統(tǒng)誤差的方法。4 .掌握測量電學(xué)元件伏安特性的基本方法，測繪金屬膜電阻、半導(dǎo)體二極管和小燈泡的伏 安特性曲線。二、實驗原理1.線性元件與非線性元件通過電學(xué)元件的電流與兩端電壓之間的關(guān)系稱為電學(xué)元件的伏安特性。一般以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)作出元件的電壓電流關(guān)系曲線，稱為

2、伏安特性曲線，如圖 1所示。伏安特性曲線為 直線的元件稱為線性元件，如碳膜電阻、金屬膜電阻、繞線電阻等一般電阻元件；伏安特性曲線為 非直線的元件稱為非線性元件，如二極管、三極管、光敏電阻、熱敏電阻等。從伏安特性曲線遵循 的規(guī)律，可以得知元件的導(dǎo)電特性，從而確定元件在電路中的作用。這種通過測量伏安特性曲線研 究元件特性的方法稱為伏安法，主要用于非線性元件特性的研究。圖1伏安特性曲線當(dāng)一個元件兩端加上電壓、元件內(nèi)有電流通過時，電壓與電流之比稱為元件電阻。線性元件和非線性元件的電阻不同。線性元件的伏安特性曲線是一條直線，通過元件的電流 I與加在元件兩端的電壓U成正比，電阻R為一定值，即 I。非線性元

3、件的伏安特性曲線不是一條直線，通過元件的電流I與加在元件兩端的電壓 U不成線性關(guān)系變化，電阻隨電壓或電流的變化而變化。因此, 分析非線性元件的電阻必須指出其工作狀態(tài)（電壓或電流）。對于非線性元件，電阻可以用靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻兩種方法表示，靜態(tài)電阻（也稱直流電阻）等于工作點的電壓和電流之比；動態(tài)電阻（也稱特性電阻）等于工作點附件的電壓改變量和電流改變量之比，即工作點切線的斜率。如圖 所示，工作點 Q的靜態(tài)電阻為（1）動態(tài)電阻為ACT dU 7 = lim 1= .A/ di V3r工右（2）顯然，非線性元件的電阻是工作狀態(tài)的函數(shù)。2 .二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管根據(jù)所用材料的不同可分為硅二極管

4、和錯二極管等。二極管最重要的導(dǎo)電特性就 是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。?dāng)外加正向電壓時，二極管呈現(xiàn)的電阻值很小，能夠通過很大的電流。當(dāng) 外加反向電壓時，二極管所呈現(xiàn)的電阻則很大，流過的電流卻很小。二極管的電流隨電壓變化的規(guī) 律常用伏安特性曲線描述，某種二極管的伏安特性曲線如圖2所示。在二極管的正端接高電位、負(fù)端接低電位（正向接法）的條件下，兩端電壓不到1V時，電流就可達(dá)400mA在二極管的負(fù)端接高電位、正端接低電位（反向接法）條件下，兩端電壓小于100V時，反向電流很??；但電壓超過110V 時，反向電流就會急劇增加。根據(jù)二極管正向電流和正向電壓的對應(yīng)關(guān)系作圖，就可以得到正向伏 安特性曲線；根據(jù)二極管反

5、向電流和反向電壓的對應(yīng)關(guān)系作圖，就可以得到反向伏安特性曲線。圖2某種二極管的伏安特性曲線由伏安特性曲線可以看出，當(dāng)二極管為正向接法時，隨著電壓U的逐漸增加，電流I也增加。但是，在開始一段，由于外加電壓很低，PN結(jié)的內(nèi)電場對載流子的運動仍起阻擋作用，基本上沒有電流流過PN結(jié)，這一段稱為死區(qū)。硅管的死區(qū)電壓約00.5V之間，楮管的約為 00.2V之間。當(dāng)外加電壓U超過死區(qū)電壓以后，電流隨電壓的上升就增加得很快，但電流和電壓并不成正比。當(dāng)二極管反向接法時，只能有少數(shù)載流子形成反向電流，電流值很小，一般硅管反向電流小于 幾十微安，錯管小于幾百微安。由于載流子數(shù)量少，所以電流值基本上不隨反向電壓變化而變

6、化。 但是，當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時，外電場將把半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的電子強(qiáng)行拉出來，造成反向電 流突然增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。對于普通二極管，反向擊穿可導(dǎo)致管子發(fā)熱被燒毀，這是由 于普通二極管最大耗散功率不夠，無法在反向擊穿區(qū)工作。穩(wěn)壓二極管一般能承受較大的工作電流 和耗散功率，可以工作在反向擊穿區(qū)。2CW型硅穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線如圖3所示。當(dāng)反向電壓加到A點時，管子開始擊穿，如果進(jìn)一步增加輸入電壓， 則穩(wěn)壓管兩端的電壓幾乎不再增加， 只是反向電流從 A點增到B點達(dá)到C點，因此起到了穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓二極管在反向擊穿區(qū)工作時， 只要不超過最大工作電流 L 和最大耗散功率 L,一般是不會燒毀的

7、。H/ 圖3 2CW型硅穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線7/mA3 .伏安特性的測量用伏安法測量元件的伏安特性時，常有兩種電路連接方法，分別是電流表內(nèi)接法和電流表外接 u_法，如圖4所示。簡化處理時直接采用電壓表讀數(shù)U和電流表讀數(shù)I之比J得出被測元件電阻 R由于電壓表和電流表都有一定的內(nèi)阻，所以無論采用哪種連接方法都會引進(jìn)一定的系統(tǒng)誤差。（1）電流表內(nèi)接法當(dāng)電流表內(nèi)接時，電流表的讀數(shù)I為通過電阻Rx的電流，而電壓表的讀數(shù)為 U =所以實驗中測得的電阻值為R= & + U（3）式（3）中RA為電流表內(nèi)阻。因此，采用電流表內(nèi)接法，測得的R值比實際值Rx偏大，只有R R_U當(dāng)& A 時才有 L I ,所以電

8、流表內(nèi)接法適合測量高值電阻。（2）電流表外接法當(dāng)電流表外接時，電壓表的讀數(shù)u為電阻Rx兩端的電壓，而電流表的讀數(shù)為 1=4 +，所以實驗中測得的電阻值為=(-)=&Q +(4)式（4）中RV為電壓表內(nèi)阻。因此，采用電流表外接法，測得的R值比實際值Rx偏小，只有n UR=I ,所以電流表外接法適合測量低值電阻。根據(jù)式（3）和式（4）可知，已知電流表和電壓表的內(nèi)阻RA和RV寸，可以利用下列公式對被測元件電阻Rx進(jìn)行修正。電流表內(nèi)接時(5)卜治電流表外接時& U &（6）因此，采用式（5）和式（6）可分別消除電流表內(nèi)接法和電流表外接法因電表內(nèi)阻引入的系統(tǒng) 誤差。在簡化處理的實驗場合，只簡單地采用I作

9、為被測元件電阻 Rx值時，為了減小因電表內(nèi)阻引入的系統(tǒng)誤差，應(yīng)合理地選擇電表的連接方法。一般被測元件的電阻值很高時，選用電流表內(nèi)接法；& M反之，選用電流表外接法。在具體選擇時可用比較法， 先粗測被測電阻 Rx的值，比較我界和的?。?大小，當(dāng)R片 Rf時，選用電流表外接法；反之，選用電流表內(nèi)接法。圖5測量穩(wěn)壓二極管伏安特性的電路因此，在設(shè)計測量電學(xué)元件伏安特性的電路時，必須了解被測元件和所需儀器的規(guī)格，所加電壓和通過電流均不能超過元件和儀器的使用范圍。同時還要考慮根據(jù)這些條件所選用的電路連接方 式（內(nèi)接法或外接法），應(yīng)盡可能減小測量的系統(tǒng)誤差。測量穩(wěn)壓二極管伏安特性的參考電路如圖 5所示，如果

10、電壓或電流細(xì)調(diào)程度不夠，也可以采用兩個滑線變阻器或電位器組成二級分壓或制流 電路。4.經(jīng)驗公式的建立物理過程中所涉及的物理量相互之間往往按照確定的規(guī)律變化。例如，加在電阻元件上的電壓U和通過的電流I;流體的溫度T與粘滯系數(shù)ri等。當(dāng)其中一個量變化時，另一個量也發(fā)生變化。 要研究這些相關(guān)物理量的變化規(guī)律，首先應(yīng)該測繪出物理量之間的關(guān)系曲線；要進(jìn)一步揭示變化規(guī) 律，還需找出經(jīng)驗公式，也就是要找出所得關(guān)系曲線的解析表達(dá)式。通過實驗方法探索物理規(guī)律，尋找兩個相關(guān)物理量之間的函數(shù)關(guān)系式即建立經(jīng)驗公式，其基本 方法如下：測量兩個相關(guān)物理量之間變化關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)。 用直角坐標(biāo)做出物理量之間的關(guān)系曲線，并根據(jù)

11、曲線形狀選擇合適的函數(shù)形式，建立數(shù)學(xué) 模型。常見曲線的形狀與對應(yīng)的函數(shù)形式可參閱有關(guān)的數(shù)學(xué)書籍。利用數(shù)據(jù)處理的有關(guān)知識，求解函數(shù)關(guān)系式中的常數(shù)，確定經(jīng)驗公式。一般采用最小二乘法通過計算機(jī)進(jìn)行曲線擬合，也可以通過曲線改直，用作圖法、最小二乘法、逐差法等數(shù)據(jù)處理方 法進(jìn)行計算。用實驗數(shù)據(jù)驗證經(jīng)驗公式。下面通過舉例具體說明建立經(jīng)驗公式的方法和步驟。例如，建立2CW104急壓二極管正向電壓 U和電流I之間關(guān)系的經(jīng)驗公式。實驗測出二極管的正向U、I變化關(guān)系的數(shù)據(jù)由小到大給二極管加正向電壓，并測出電壓U和電流I的對應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示。表1二極管正向電壓和電流數(shù)據(jù)記錄表015-在直角坐標(biāo)紙上作出 UT I關(guān)系

12、圖，如圖6所示，觀察曲線符合的數(shù)學(xué)形式，寫出函數(shù)式的一般表達(dá)式。圖6 2CW104E向伏安曲線由圖6可知，除去約00.5V的死區(qū)外，正向伏安特性曲線近似為對數(shù)曲線，故設(shè)曲線方程為t/ = B+Xlog/求函數(shù)式中的未知常數(shù)圖7 2CW104E向?qū)?shù)伏安曲線對數(shù)，在直角坐標(biāo)紙上作出圖線，如圖 7所示。這是一個斜率為 A、截距為B的直線方程，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，利用曲線改直的方法，把 I取由圖7可以看出，變化規(guī)律近似為一直線。這說明對數(shù)關(guān)系成立，可按直線處理來求出式中的B和A當(dāng)時，1口g二 ,可得B=0.60, A為斜率的倒數(shù)，在直線上取 M N兩點可得這樣就可確定描述2CW104E向伏安特性的經(jīng)驗

13、公式為= 0,60 +0.079J log/(8)用實驗數(shù)據(jù)驗證經(jīng)驗公式為了驗證經(jīng)驗公式的正確性，可從實驗數(shù)據(jù)中任取一個電流值I ,代入經(jīng)驗公式，看算出的電壓U是否與原值相近。若相近，說明所建立的經(jīng)驗公式正確，否則要重新建立。例如，取I =18mA代入式（8）中，可算出U=0.70V,對應(yīng)實數(shù)據(jù)U=0.70V,符合得很好；再取I=80mA算出U=0.75V, 對應(yīng)實1數(shù)據(jù)U=0.75Vo通過驗證表明所建立的經(jīng)驗公式是符合這種二極管的伏安特性。三、實驗器材直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓二極管，金屬膜電阻，小燈泡，萬用電表，電壓表，電流表，電位器等。四、實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容與要求一.必做部分1 .測量穩(wěn)壓二極管的

14、正向和反向伏安特性(1)用萬用表的歐姆擋判別穩(wěn)壓二極管的正反向。(2)根據(jù)二極管的正向或反向，參考圖5所示電路接好測量線路，適當(dāng)選擇電流表和電壓表的量程。(3)在測量范圍內(nèi)，從 0開始逐步增大電壓，記錄電壓值和相應(yīng)的電流值。2 .測量金屬膜電阻的伏安特性(1)用萬用表的歐姆擋粗測被測電阻值的大小。(2)根據(jù)被測電阻值的大小，參考圖5所示電路選擇電流表內(nèi)接法或外接法，適當(dāng)選擇電流表和電壓表的量程。(3)在測量范圍內(nèi)，從 0開始逐步增大電壓，記錄電壓值和相應(yīng)的電流值。(4)改變加在被測電阻上的電壓方向，從0開始逐步增大電壓，記錄電壓值和相應(yīng)的電流值。3 .測量小燈泡的伏安特性根據(jù)小燈泡的額定電壓和電流，估算靜態(tài)電阻的大小，選擇適用的測量電路，自己設(shè)計實驗步 驟進(jìn)行測量。五、實驗數(shù)據(jù)1 .自擬數(shù)據(jù)表格，列表記錄和處理數(shù)據(jù)。2 .以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)，利用測得的電壓和電流數(shù)據(jù)