常州工程学院物理实验教案02元件伏安特性的研究

实验二元件伏安特性的研究【实验目的】 1．熟悉理解电学仪器的一上些常用技术指标，并能掌握其使用方法。 2．训练用回路接线法看图接线。能够熟练联接电路。 3．学会用列表法记录数据并分析其变化规律。 4．了解非线性元件，如二极管的伏安特性，正向导电和反向截止的原理，理解其用途【实验仪器】直流电压表，直流电流表，滑线变阻器，电阻箱，直流稳压电源，开关。（一）、直流电压表直流电压表是由表头和一高电阻串联而成，用于测量电路中两点间电压的大小．它的主要技术指标有： 1．量程即指针偏转满刻度时的电压值。直流电压表分伏特表、毫伏表等，一般为多量程的。2．内阻即电表两端间的电阻同一电压表的不同量程，其内阻亦不同。但是，由于各量程的每伏欧姆数都相同，所以电压表的内阻一般用 Ω/V 统一表示。各量程的内阻可用下式计算内阻=量程×每伏欧姆数（二）、直流电流表直流电流表是由表头和一低电阻并联而成。用于测量电路中电流的大小。它的主要技术指标有： l．量程即指针偏转满刻度时的电流值．直流电流表分安培表、毫安表、微安表等，一般为多量程的。 2．内阻一般安培表内阻都在 0.1Ω 以下，毫安表、微安表的内阻可达几百欧姆到几千欧姆。使用电表时应注意以下几点： l．零点调整测量前，先检查电表指针是否指零。如不指零，用改锥细心地调节零点调整螺丝，使指针指零。 2．选择量程根据待测电流（或电压）的大小，选择合适量程的电流表（或电压表）进行测量。如果选择的量程小于电路中的电流（或电压）值，会使电表损坏；如果选择量程太大的表，指针偏转角度太小，读数就不准确。若测量值的范围不知，应先选用大量程的表试测，再根据试测值，选用合适的量程，尽量使指针指示在满量程的三分之二以上。 3．电表的连接电流表必须串联在待测电路中；电压表必须与被测电压的两端并联。 4．电表的极性直流电压表和电流表在接线时必须让电流从表的“＋”极流入，从“－”极流出，切不可把极性接错，以免损坏指针。 5．电表的安放应按电表表面符号正确安放电表。如符号 II，表示应水平安放，否则电表指示值不准确。 6．避免读数视差读数时，必须使视线垂直于刻度表面。精密的电表刻度尺下方装有平面镜，当指针在镜中的像与指针重合时，所对准的刻度才是电表的准确读数。 7．正确读数设电表的量程为 Im（或 Vm），电表的准确度等级为 K，则用该表进行测量时的可能引起的最大误差 ΔIm（或 ΔVm）按下式计算 100 k I I m m´=D或 100 k V V m m´=D读数时，应读到有误差的一位上。例如 0.5 级量程为 150mA 的电流表，其 mA I m 75 . 0 100 5 . 0 150=´=D ≈0.8mA，则用此量程测量电流时，读数应读到小数点后一位。（三）、滑线变阻器滑线变阻器是用来控制电路中的电压和电流的。其构造如图 2－1（a）所示．移动中间触点 C 的位置，可改变 AC 或 BC 之间的电阻值，其在电路中表示为图 2－1（b）。图 2­1 它的主要技术指标有： 1．全电阻即 AB 之间的电阻。 2．额定电流即变阻器允许通过的最大电流。使用时不得超过该值。 *滑线变阻器有两种用法： 1．限流电路如图 2­2 所示，当滑动 C 时，整个回路的电阻改变了，因此回路中电流也改变，所以它能控制电路中电流的大小。该电路称为限流电路。 2．分压电路如图 2­3 所示，接通电源后，UAB＝UAC＋UCB．加在负载电阻 RL 上的输出电压 UCB 取自 UAB 的一部分，随着触点 C 的位置变化，UCB 大小可调。该电路称为分压电路。图 2­2 图 2­3 （四）、电阻箱旋转式电阻箱面板图如图 2­4 所示。它是由电阻温度系数较小的锰钢丝绕制的标准电阻串联而成。旋转电阻箱上的旋钮，可以得到不同的电阻值。例如图2－4 各旋钮所处位置表示的总电阻为 4×10000＋3×l000＋2×100＋2×10＋9×l＋0×0= 43 229.0Ω）。上部有四个接线柱，*与 0.9Ω 两接线之间的电阻值调节范围为 0~0.9Ω。*与 9.9Ω 两接线柱间的电阻值凋节范围为 0~9.9Ω；余者类推。在使用时，如果只需要在 0~9.9Ω 范围内改变阻值，则应选用*与 9.9Ω 接线柱。这样做，可以避免在电阻箱其余部分的接触电阻和导线电阻给低电阻带来的误差影响。图 2­4 电阻箱的技术指标有： l．总电阻即最大电阻。如图 2­4 所示电阻箱的总电阻为 99 999.9Ω。 2．额定功率（或额定电流）指电阻箱中每只电阻的功率额定值（或允许通过的最大电流）。使用中为了确保示值的准确性和仪器的安全，不得超过其额定功率（或额定电流）。若将一电阻箱的几挡联用，额定电流应取各挡额定电流中的最小值。电阻箱的铭牌上均标出了各挡的额定电流值。实验过程中若需要改变电阻值时，注意不要使电阻箱电阻值变为零，以免损坏电路中其它仪表。例如将 900Ω 改变为 1000Ω，应先将×1000 的旋钮转到“1”位置，再将×100 的旋钮转到“0”位置。 3．电阻箱的准确度等级电阻箱根据电阻示值相对极限误差的大小分为若干个准确度等级。一般分为 0.02、0.05、0.1、0.2四个等级，它表示电阻箱相对误差的百分数。例如：ZX—21 型电阻箱的等级为 0.1 级，当电阻示值为 360Ω 时，其等级误差大小为W»´ 4 . 0 100 1 . 0 360 。不同等级的电阻箱规定允许的接触电阻标准也不同。例如，0.1 级规定每个旋钮的接触电阻不得大于 0.002Ω。电阻箱的仪器误差等于它的等级误差与接触误差之和。（五）、直流稳压电源实验室除用干电池作直流电源外，目前普遍采用晶体管直流稳压电源．这种电源稳定性高、内阻小、输出电压连续可调、使用方便．它的主要技术指标有最大输出电压、最大输出电流和额定功率．使用电源要特别注意安全，不要接错，切忌短路，负载总功率不得超过电源额定功率，正确确定输出电压的大小，以保证所用仪器安全正常工作．【实验原理】某电学元件两端加上直流电压 U，在元件内就会有电流 I通过，通过元件的电流与端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。若以电压 U为横坐标，以电流 I为纵坐标，作出电流 I 随电压 U变化的关系曲线，称为元件的伏安特性曲线。对于碳膜电阻、线性电阻等电学元件，在通常情况下，其伏安特性曲线是一直线，如图 2­5 所示。这类元件称为线性元件，其电阻称为线性电阻，它的电阻值等于该直线斜率的倒数。图2­5 图 2­6 图 2­7 如图 2­6 所示，晶体二极管有正、负两个极，正极由 P 型半导体引出，负极由 N 型半导体引出，其 PN 结具有单向导电的特性。当二极管加上正向电压，（即正极接高电势，负极接低电势），则电路中有较大电流，随着正向电压的增加，电流也增加，但电流的大小并不随电压成正比变化；当二极管接反向电压（正极接低电势，负极接高电势），则电路中电流很微弱，其电流大小也不随电压成正比变化。其伏安特性曲线如图 2­7所示。伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件，其电阻称为非线性电阻。【实验步骤】（一）、测绘线性电阻的伏安特性曲线 1．按图 2­8 采用回路接线法接线。即按箭头所指的方向，由回路 I 的 M 点开始连线，连至 N 点，再依次连接回路 II回路 III。电源在最后接入电路，接入电路时开关呈断开状态。连线后，接回路 I、图 2­8 II、III的顺序复查电路接线是否正确；电源和电表的正、负极是否接对；电表的量程是否合适；滑线变阻器的滑动端位置是否恰当（应先放在 B 处）等。再经教师检查认可后方能闭合开关 K，如一切正常，即可开始实验。 2．调节变阻器的滑动端 C，使电压从零开始逐步增大，读出相应的电压、电流值，记入表 2­1 中。 3．以电压 U 为横坐标，电流 I 为纵坐标，作出电阻的伏安特性曲线。用图解法求电阻值 RL，并与其准确值 RLO（其值由实验室给出）比较，计算相对误差。（二）、测绘晶体二极管伏安特性曲线 1．测二极管的正向伏安特性按图 2­9 电路接线，图中 R 为二极管的限流电阻，电压表量程取 1V左右，电压从零缓慢地增加，每隔 0.10V读数一次，将相应的电压、电流值记入表 2­2 中。（当电流值变化较快时，应增加测量点） 2．测二极管的反向伏安特性按图 2­10电路接线，将毫安表换成微安表，电压表取比1V 大的量程。调节变阻器的滑动端 C，逐步增大电压，从零开始每隔 1V读数一次，将相应的电压、电流值记入表 2­2 中。 3．以电压 U 为横坐标，电流 I 为纵坐标，作二极管的正、反向伏安特性曲线。由于正向电流读数为 mA，反向电流读数为 μA，在纵坐标的上半段和下半段坐标纸每小格代表的电流值可以不同，但必须分别标清楚。图 2­9 图 2­10 【注意事项】 l．每次连接线路时要断开电源，不要带电操作。联接好电路后，应仔细检查线路，防止电源和电流表短路。实验时，若有短路现象，应立即切断电源！！！ 2．测量时，应缓慢增加电流，读取数据（电流和电压值），拆线时应先切断电源，并拆除电源一端连线后，再拆其它导线，防止电源短路。 3．测量晶体二极管正向伏安特性时，首先应测定晶体二极管正向导电时的导通电压，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值（该值由实验室给出）。 4．测量晶体二极管反向伏安特性时，加在二极管上的电压不得超过二极管允许的最大反向电压值（该值由实验室给出）。【数据处理】表 2­1 线性电阻的测量电流表量程 mA ；准确度等级；内阻。电压表量程 V；准确度等级；内阻。 U/V I/A 待测电阻的标称值 RLb ; 待测电阻的准确值 RL0 ；RL= ；=´-= % 100 0 0 L L L r R R R E 表 2­2 非线性电阻的测量毫安表量程 mA；准确度等级；内阻。电压表量程 V；准确度等级；内阻。正向特性微安表量程 μA；准确度等级；内阻。电压表量程 V；准确度等级；内阻。反向特性