电阻元件伏安特性的测定

1、实验四 电阻元件伏安特性的测定【实验简介】电阻是电学中常用的物理量。利用欧姆定律测导体电阻的方法称为“伏安法” 。为了研究材料的导电性, 通常作出其伏安特性曲线, 了解它的电压和电阻的关系。 伏安特性 曲线是直线的元件称为“线性元件” ,伏安特性曲线不是直线的元件称为 “非线性元件” 。这 两种元件的电阻都可以用伏安法测量。 但是, 由于测量时电表被引入测量电路, 电表内阻必 然会影响测量结果,因而应考虑对测量结果进行必要的修正,以减小系统误差。乔治 西蒙 欧姆生平简介 乔治 西蒙 欧姆 (Georg Simon Ohm,17871854年 是德国物理学家。 1826年, 欧姆发现了电学上的一

2、个重要定律 欧姆定律, 这是他最大的 贡献。这一定律可以表示为两种形式:一是部分电路的欧姆定律,通过部 分电路的电流,等于该部分电路两端的电压,除以该部分电路的电阻;二 是全电路的欧姆定律, 即通过闭合电路的电流, 等于电路中电源的电动势, 除以电路中的总电阻。为了纪念他,人们把电阻的单位命名为欧姆。【实验目的】 1、了解电学实验常用仪器的规格、性能,学习它们的使用 方法。2、学习电学实验的基本操作规程和连接电路的一般方法。 3、掌握电阻元件伏安特性的测量方法,用伏安法测电阻。 4、了解系统误差的修正方法,学会作图法处理实验数据。【实验仪器和用具】 直流稳压电源 (SG1731SL5A , 直

3、流电压表 (C31/1-V0.5级 , 直流电流表 (C31/1-A0.5级 ,滑线变阻器(0.5A , 1.5K ,待测电阻两个(一个几十欧,一个几千欧 ,待测二极 管,单刀单掷开关一个,单刀双掷开关一个,导线 10根。 【实验原理】1、伏安特性曲线实验中常用的线绕电阻、 碳膜电阻和金属膜电阻等, 它们都具有以下共同特性, 即加在 该电阻上的电压与通过其上的电流总是成正比例的变化 (忽略电流热效应对阻值的影响 。 若 以纵坐标表示电流,横坐标表示电压,电流与电压的关系就表示为一条直线如图 4-4-4(a 所示。具有这种特性的电阻元件成为“线性电阻元件” 。2、非线性电阻如果电阻电阻元件两端的

4、电流、 电压关系为曲线, 则这类电阻元件称为 “非线性电阻元 件” (如热敏电阻、 二极管等 。 这种元件的特点是电阻随加在它两端的电压改变而改变如图 4-4-4(b 所示。一般均用伏安特性曲线来反映非线性电阻元件的特性。 欧姆定律告诉我们, 通过一段电路的电流, 与这段电路两端的电压成正比, 与这段电路的电阻成反比,即 UI R =。由此可求得电阻 UR I=(4-1 这是伏安法测电阻所根据的基本原理。 (1电流表内接法 如图 4-5所示,将单刀双掷开关 2k 接到 a 端, 电电路属于电流表内接法。电流表测出的电流 I 就 是通过待测电阻 x R 的电流 x I , 但电压表测出的电压 U

5、 应等于 x R 两端的电压 x U 与电流表内阻 A R 上的图 4-5电路电压 A U 之和。(1 x AA x A x x xU U R U R R R R I I R +=+=+测 (4-2 由此式可知,电阻的测量值 测 R 比实际值 x R 要大,AxR R 是由于电流表内接带来的误差, 称为接入误差。 在粗略测量的情况下, 一般在 A x R R (如 x R 为几千欧 时用 “内接法” 。 为精确计算出 x R 的值,应按式 x R =测 R A R -进行修正。 (A R 由实验室给出 。(2电流表外接法图 4-5中, 将 2k 接到 b 端, 电路属于电流表外接法. 电压表测

6、出的电压 U 就是 x R 两端 的电压 x U ,但电流表测出电流I应等于 x I 与 V I 之和。x x V x V xx U U U=I I I I (1 1I x xVR R =+测 R (4-3由此式可知, 电阻的测量值 R 测 比实际值 x R 要小,xVR R 是由于电流表外接带来的接入误 差。在粗略测量的情况下,一般在 V x R R (如 x R 为几欧或几十欧时用“外接法” 。为 精确计算出 x R 的值,应按式 1x VR R R R =-测测 进行修正。 (V R 由实验室给出 。 4、半导体二极管半导体二极管是一种常用的非线性电子元件, 由 P 型、 N 型半导体材

7、料制成 PN 结经欧 姆接触引出电极, 封装而成。 两个电极分别为正极、 负极。 二极管的主要特点是单向导电性, 其伏安特性曲线如图 4-4(b 所示。其特点是:在正向电流和反向电压较小时,伏安特性 呈现为单调上升曲线;在正向电流较大时,趋近为一条直线; 在反向电压较大时, 电流趋近 极限值 S I , S I 叫做反向饱和电流;在反向电流超过某一数值 b U 时,电流急剧增大,这 种情况称做击穿, b U 叫做击穿电压。 正向导通后锗管的正向电压降约为 0.20.3V , 硅管约 为 0.60.8V 。二极管的主要参数有: 1最大整流电流 f I , 即二极管正常工作时允许通过的最大正向 平

8、均电流; 2最大反向电压 b U ,一般为反向击穿电压的一半; 3反向电流 r I 是反向饱和 电流的额定值。由于二极管具有单向导电性,它在电子电路中得到了广泛应用,常用于整流、检波、限 幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。5、测量电阻元件特性应注意的问题: (1伏安法测电阻测量时加在被测电阻两端的电压不得超过该电阻的最大电压值。若被测电阻的阻值为R ,额定功率为 P ,则其最大允许电压为PR U =max 最大允许电流为:maxmax U P I =实验时电源电压值的确定以及电流表、电压表的量程的选择,可由以上两式计算得出max U 和 max I 值来决定。(2安排测量电路时,变阻器

9、电路的选择应考虑到调节方便。能满足测量范围的要求,实 验中采用分压电路,一般变阻器的阻值应小于负载电阻。(3使用指针式电表选取电表量程时,既要注意测量值不得超量程以保证仪表安全,又 要使读数尽可能大以减小读数的相对误差。测量前应注意观察记录电表的的机械零点。根 据测量电阻值大小选择内接法或外接法,并进行系统误差的修正。【实验内容和要求】1、用电流表内接法测电阻按图 4-5所示电路,先合理摆放好各仪器的位置,然后连接电路.连接的顺序可按图示 回路1、2、3或3、2、1的顺序进行。开关 1k , 2k 断开,滑线变阻器的滑动触头打到 B端,使待测电路的分压为零。先测大值待测电阻(教师告知哪个是大值

10、电阻 , 2k 接到 a 端,电路选用“内接法” 。适当选择电压表,电流表的量程及电源输出电压。电路经教师检 查无误后方可接通 1k 进行试触,试触正常才可正式进行实验。调节滑线变阻器,使待测电 路的电压和电流逐渐增大, 当 U 和 I 的值各自接近量程的 2/3时, 开始记录数据。 改变滑线 变阻器6次测出6组 U 、 I 的值,测完后应将滑动触头打到分压为零处, 1k 断开。2、用电流表外接法测电阻换接小值待测电阻, 2k 接到 b 端, 电路选用 “外接法” 。 重新选择电表量程和电源电压。 调节滑线变阻器,测出6组 U 、 I 值(不小于量程的 2/3 。测完后,滑线触头打到分压为 零

11、处,断开 1k ,关闭电源。数据送交教师审阅,教师认可后,再拆除电路,归整仪器。 3、测量二极管的伏安特性曲线按图 4-5所示电路,将待测电阻换为非线性电阻元件二极管或白炽小灯泡,选择“内接 法 ” 或“外接法”测量非线性电阻元件伏安特性曲线,实验参数自已选定,自拟实验数据记 录表格,实验结束,数据送交教师审阅,教师认可后,再拆除电路,归整仪器。【数据记录与处理】1、用“内接法”测电阻的数据记录及处理 表一 x AR =-测 = 。( A x u S =。 B u =。 (说明:( 0.5%m u U U =, (0.5%m u I I =, U 和 I 取 6组中的最大值, 电压表、 电 流

12、表均为 0.5级( x u R =。 ( x x x R u R =。2、用“外接法”测电阻的数据记录及处理 1x VR =-测测 , ( A x u S =, B u =, ( x u R =, ( x x x R u R =。3、非线性电阻元件伏安特性曲线测量数据记录,表格自拟,画出伏安特性曲线。【思考题】1、如何使用直流稳压电源?2、通常,滑线变阻器在电路中有几种作用?它们的接法有何不同?3、电表分哪几个等级？等级的数值意义是什么？电表的极限误差怎么计算？使用电表 应注意哪些问题？ 4、本实验中，如果教师不告诉你哪个是大值电阻，哪个是小值电阻，也不再另外给你 其它仪表，你如何运用电路的特

13、点来分辨它们的大小？ 附录 4-1 1 电表常用标识符号的意义 在电表的表盘上用数字或符号标有该表的准确度等级、 仪表的类型、 使用条件及其他参 数，仪表准确度等级的规定和各种符号的意义适用各种电表。 符号 意义 磁电式仪表 电磁式仪表 电动式仪表 直流电表 交流（单相）电表 2 直流电流表 物理实验中常用的直流电流表是磁电式电流表，电流表头指针偏转格数 n 与流过的电流 0.5 符号 意义 交直流电表 表面垂直使用 表面水平使用 表面倾斜使用 准确度等级 0.5 级 n 。 SI 越大，电流表越灵敏。电流表可测电流的最大 I 值，也就是表盘上满刻度对应的电流数值，称为电流表的量程，记作 I

14、m 。通过表头的电流 大小之比称为电流灵敏度，记作 S I = 实际是经由线圈和游丝流过的，线圈和游丝的电阻就是表头的内阻，记作 Rg 。 使用电流表时应注意以下事项： (1 测量前应先微调调零螺丝使电表指针指零。 (2 直流电流表是有极性的测量时电流由正极（+）流入，由负极（-）流出。 (3 测量时要选择适当的量程，最好使指针在 2/3 量程以上。 (4 高准确度电表表盘上有反光镜，读数时应正对表盘，使指针与镜中像重合。 (5 电流表不能和电源直接连接，否则将会烧坏。 3 直流电压表 一个电流表串联一个阻值较大的电阻就构成电压表。电压表的主要参数有电压灵敏度、 内阻、量程、准确度等，其中量程 U m 和准确度等级 a 的含义与电流表相似。电压灵敏度 SU = n 。使用注意事项见电流表使用注意事项。 U 4 数字电压表 数字电压表是一种有源电压表。 直流电压经过 A/D 模数转换电路变成数字量， 在经过译 码电路将数字信号显示在数码管或液晶显示屏上。 常用数字电压表表头有 3 1 1 1 位（三位半） 、4 位（四位半） 位。 、5 。等。3 位表