电学元件伏安特性研究.doc

中国石油大学(华东）现代远程教育实验报告课程名称:大学物理(二）实验名称:电学元件伏安特性研究实验形式:模拟＋现场实践提交形式:提交书面实验报告学生姓名: 　 学 号: 　 　 　 　 　年级专业层次: 　 网络秋高起专 　 　 　 　 　　 　 　 　 　 　 学习中心: 　　习中心 　 　 　 　 　　　　 　 　 提交时间: 　 　 　年　　4 　　月 26 日一、实验目的1．学会测绘未知物理量之间的关系曲线ﻫ２．学会建立经验公式的基本措施3.学习对的选用测量电路来减小系统误差的措施4.掌握测量电学元件伏安特性的基本措施，测绘金属膜电阻、半导体二极管和小灯泡的伏安特性曲线二、实验原理1.线性元件与非线性元件　　 通过电学元件的电流与两端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性一般以电压为横坐标、电流为纵坐标作出元件的电压～电流关系曲线，称为伏安特性曲线，如图１所示伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，如碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻等一般电阻元件；伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件,如二极管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等。

从伏安特性曲线遵循的规律,可以得知元件的导电特性，从而拟定元件在电路中的作用这种通过测量伏安特性曲线研究元件特性的措施称为伏安法，重要用于非线性元件特性的研究图１　伏安特性曲线ﻫ　 当一种元件两端加上电压、元件内有电流通过时，电压与电流之比称为元件电阻线性元件和非线性元件的电阻不同线性元件的伏安特性曲线是一条直线，通过元件的电流I与加在元件两端的电压U成正比,电阻R为一定值,即非线性元件的伏安特性曲线不是一条直线，通过元件的电流Ｉ与加在元件两端的电压U不成线性关系变化，电阻随电压或电流的变化而变化因此，分析非线性元件的电阻必须指出其工作状态（电压或电流）对于非线性元件,电阻可以用静态电阻和动态电阻两种措施表达,静态电阻(也称直流电阻）等于工作点的电压和电流之比；动态电阻（也称特性电阻）等于工作点附件的电压变化量和电流变化量之比，即工作点切线的斜率如图１所示,工作点Q的静态电阻为 ﻫ　　　 　                                        　　　 （1) ﻫ　　动态电阻为 　　　 　                            （2） ﻫ　　显然，非线性元件的电阻是工作状态的函数。

　２．二极管的伏安特性　ﻫ 　半导体二极管根据所用材料的不同可分为硅二极管和锗二极管等二极管最重要的导电特性就是PＮ结的单向导电性当外加正向电压时,二极管呈现的电阻值很小，可以通过很大的电流当外加反向电压时,二极管所呈现的电阻则很大,流过的电流却很小二极管的电流随电压变化的规律常用伏安特性曲线描述，某种二极管的伏安特性曲线如图2所示在二极管的正端接高电位、负端接低电位（正向接法)的条件下,两端电压不到１Ｖ时，电流就可达400mA在二极管的负端接高电位、正端接低电位（反向接法）条件下，两端电压不不小于1０0V时,反向电流很小;但电压超过１10Ｖ时,反向电流就会急剧增长根据二极管正向电流和正向电压的相应关系作图,就可以得到正向伏安特性曲线;根据二极管反向电流和反向电压的相应关系作图，就可以得到反向伏安特性曲线图2　某种二极管的伏安特性曲线ﻫ　　由伏安特性曲线可以看出，当二极管为正向接法时，随着电压U的逐渐增长，电流I也增长但是，在开始一段,由于外加电压很低,ＰN结的内电场对载流子的运动仍起阻挡作用，基本上没有电流流过PN结,这一段称为死区硅管的死区电压约0~０．5V之间,锗管的约为0～0.2V之间。

当外加电压U超过死区电压后来,电流随电压的上升就增长得不久,但电流和电压并不成正比 ﻫ　　当二极管反向接法时,只能有少数载流子形成反向电流，电流值很小,一般硅管反向电流不不小于几十微安,锗管不不小于几百微安由于载流子数量少，因此电流值基本上不随反向电压变化而变化但是，当反向电压增长到一定数值时，外电场将把半导体内被束缚的电子强行拉出来，导致反向电流忽然增长，这种现象称为反向击穿对于一般二极管，反向击穿可导致管子发热被烧毁,这是由于一般二极管最大耗散功率不够，无法在反向击穿区工作稳压二极管一般能承受较大的工作电流和耗散功率,可以工作在反向击穿区 　2ＣＷ型硅稳压二极管的伏安特性曲线如图3所示当反向电压加到A点时,管子开始击穿，如果进一步增长输入电压,则稳压管两端的电压几乎不再增长，只是反向电流从A点增到B点达到C点，因此起到了稳压作用稳压二极管在反向击穿区工作时，只要不超过最大工作电流和最大耗散功率，一般是不会烧毁的　图3 ２CW型硅稳压二极管的伏安特性曲线　3.伏安特性的测量 ﻫ　　用伏安法测量元件的伏安特性时，常有两种电路连接措施,分别是电流表内接法和电流表外接法,如图4所示简化解决时直接采用电压表读数Ｕ和电流表读数I之比得出被测元件电阻R,由于电压表和电流表均有一定的内阻,因此无论采用哪种连接措施都会引进一定的系统误差。

图4 伏安法的两种电表接线方式ﻫ　　（1)电流表内接法 　 当电流表内接时，电流表的读数I为通过电阻Rx的电流，而电压表的读数为,因此实验中测得的电阻值为 ﻫ 　　　                      (３） 式（3)中RA为电流表内阻因此,采用电流表内接法，测得的R值比实际值Ｒｘ偏大,只有当时才有,因此电流表内接法适合测量高值电阻 ﻫ　　(2）电流表外接法 　 当电流表外接时,电压表的读数U为电阻Rx两端的电压,而电流表的读数为，因此实验中测得的电阻值为　 　　　                    （４) ﻫ 式(4）中RV为电压表内阻因此，采用电流表外接法,测得的R值比实际值Rx偏小,只有当时才有，因此电流表外接法适合测量低值电阻　根据式（3）和式(4)可知,已知电流表和电压表的内阻RＡ和RＶ时，可以运用下列公式对被测元件电阻Rx进行修正电流表内接时 　 　　                                  （5) ﻫ 　电流表外接时　 　　 　　                                  (6） 　因此，采用式(5）和式(6）可分别消除电流表内接法和电流表外接法因电表内阻引入的系统误差。

　 在简化解决的实验场合，只简朴地采用作为被测元件电阻Rｘ值时，为了减小因电表内阻引入的系统误差，应合理地选择电表的连接措施一般被测元件的电阻值很高时，选用电流表内接法；反之，选用电流表外接法在具体选择时可用比较法，先粗测被测电阻Ｒx的值,比较和的大小，当时，选用电流表外接法;反之,选用电流表内接法 图5　测量稳压二极管伏安特性的电路 　因此,在设计测量电学元件伏安特性的电路时,必须理解被测元件和所需仪器的规格,所加电压和通过电流均不能超过元件和仪器的使用范畴同步还要考虑根据这些条件所选用的电路连接方式(内接法或外接法）,应尽量减小测量的系统误差测量稳压二极管伏安特性的参照电路如图5所示，如果电压或电流细调限度不够，也可以采用两个滑线变阻器或电位器构成二级分压或制流电路　４.经验公式的建立 　物理过程中所波及的物理量互相之间往往按照拟定的规律变化例如,加在电阻元件上的电压Ｕ和通过的电流I;流体的温度T与粘滞系数η等当其中一种量变化时，另一种量也发生变化要研究这些有关物理量的变化规律，一方面应当测绘出物理量之间的关系曲线;要进一步揭示变化规律，还需找出经验公式,也就是要找出所得关系曲线的解析体现式。

　　通过实验措施摸索物理规律,寻找两个有关物理量之间的函数关系式即建立经验公式,其基本措施如下: 　　① 测量两个有关物理量之间变化关系的实验数据 ﻫ ② 用直角坐标做出物理量之间的关系曲线，并根据曲线形状选择合适的函数形式，建立数学模型常用曲线的形状与相应的函数形式可参阅有关的数学书籍　ﻫ　　③　运用数据解决的有关知识,求解函数关系式中的常数,拟定经验公式一般采用最小二乘法通过计算机进行曲线拟合,也可以通过曲线改直,用作图法、最小二乘法、逐差法等数据解决措施进行计算　　 ④ 用实验数据验证经验公式 　　下面通过举例具体阐明建立经验公式的措施和环节例如,建立２CW104稳压二极管正向电压Ｕ和电流I之间关系的经验公式　　 ①　实验测出二极管的正向U、Ｉ变化关系的数据　ﻫ　 由小到大给二极管加正向电压,并测出电压Ｕ和电流I的相应数据如表１所示表1 二极管正向电压和电流数据登记表ﻫ　　②　在直角坐标纸上作出Ｕ~I关系图，如图6所示,观测曲线符合的数学形式，写出函数式的一般体现式图６　2ＣＷ1０4正向伏安曲线 ﻫ　 由图6可知，除去约０～0.5V的死区外，正向伏安特性曲线近似为对数曲线，故设曲线方程为 ﻫ　　　　 　 　                 (７） ﻫ 　这是一种斜率为A、截距为B的直线方程,根据表1中的数据，运用曲线改直的措施，把I取对数，在直角坐标纸上作出图线,如图7所示。

　 ③　求函数式中的未知常数图7　2ＣW10４正向对数伏安曲线 ﻫ　 由图7可以看出，变化规律近似为始终线这阐明对数关系成立,可按直线解决来求出式中的B和A当时,，可得B=0.60,A为斜率的倒数,在直线上取M、Ｎ两点可得　ﻫ 　　 　 ﻫ　 这样就可拟定描述2CＷ1０4正向伏安特性的经验公式为 ﻫ 　　　            （8）　ﻫ　 ④ 用实验数据验证经验公式　　　为了验证经验公式的对的性，可从实验数据中任取一种电流值Ｉ,代入经验公式，看算出的电压U与否与原值相近若相近，阐明所建立的经验公式对的,否则要重新建立例如,取I=1８mA,代入式(8)中，可算出U=0.70V,相应实验数据U＝0.70Ｖ,符合得较好；再取Ｉ=８０mＡ，算出U=0．75V，相应实验数据U=０.75V通过验证表白所建立的经验公式是符合这种二极管的伏安特性三、实验器材　直流稳压电源,稳压二极管,金属膜电阻，小灯泡，万用电表,电压表，电流表,电位器等四、实验内容一.必做部分 　1.测量稳压二极管的正向和反向伏安特性 ﻫ （１）用万用表的欧姆挡鉴别稳压二极管的正反向 　 （2)根据二极管的正向或反向,参照图５所示电路接好测量线路,合适选择电流表和电压表的量程。

ﻫ （3)在测量范畴内，从0开始逐渐增大电压，记录电压值和相应的电流值 ﻫ ２.测量金属膜电阻的伏安特性 (1）用万用表的欧姆挡粗测被测电阻值的大小 　（2)根据被测电阻值的大小，参照图５所示电路选择电流表内接法或外接法，合适选择电流表和电压表的量程　ﻫ 　(3）在测量范畴内，从0开始逐渐增大电压，记录电压值和相应的电流值 　　(4）变化加在被测电阻上的电压方向,从０开始逐渐增大电压,记录电压值和相应的电流值 ﻫ　3.测量小灯泡的伏安特性 ﻫ 　根据小灯泡的额定电压和电流,估算静态电阻的大小,选择合用的测量电路，自己设计实验环节进行测量 二．选做部分—设计性内容 ﻫ 1.实验内容 ﻫ 设计运用示波器测量稳压二极管伏安特性曲线的实验方案　 ２．设计规定　ﻫ （1)论述基本实验原理和实验措施。