【2017年整理】2.3电学元件伏安特性的测量

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1、2.3 电学元件伏安特性的测量2.3.1 线性元件的伏安特性【实验目的】1. 了解并掌握基本电学仪器的使用及仪器误差的估算；2. 学习电学实验规程，掌握回路接线法则；3. 了解实验设计的基本原理，体会理论推导误差纠正公式和实验测量的差异；4. 设计伏安法测电阻的最佳方案；5. 测量电阻并加以修正。【实验仪器】稳压电源（0 30 V，3 A） ；滑线变阻器（200 ，2 A） ；多量程直流电压表（0 1.5 3 7.5 V，0.5 级） ；多量程直流电流表（0 25 50 mA，0.5 级） ；待测电阻两个（阻值分别为约 10 和约 200 ） ；单刀开关；导线若干。1.电源实验室常用的直流稳压

2、电源，它可以提供： 012V，1A 的连续可调电压源；带有过流保护；使用时要注意极性。如图 2-3-12-3-1 直流稳压电源图 2-3-2 滑线变阻器2.变阻器滑线变阻器采用了经过氧化绝缘处理的康铜线，密绕于瓷管组成的电阻元件，装上金属保护支架，滑键等，如图 2-3-2 所示。通过移动的滑键的导电接触刷，在康铜丝表面移动，达到改变阻值的大小。在使用变阻器不宜超过额定电流。变阻器易发热的元件，安装时不宜靠近不能受热的物体。变阻器使用中若发生接触不良时，可在电刷接触面移动的康铜丝表面上，除去氧化绝缘层，即可消除其现象。3.电阻箱图 2-3-3 旋钥式电阻箱电阻箱供直流电路中作可调电阻用。它是电阻

3、值可变的电阻量具，其电阻值可在已知范围内按一定的阶梯改变。实验室常用旋钥式电阻箱如图 2-3-3 所示，它是由电阻箱六个密封转换开关和相应得精密电阻组成，能变换成 ，最小步进值为 的任0.199999.9 0.1何电阻值。旋钥式电阻箱的原理如图 2-3-4 所示。图 2-3-4 旋钥式电阻箱原理图电阻箱的主要参数有总电阻、额定功率、准确度等级。其中准确度等级有七级：0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0 等级。电阻箱的基本误差：绝对误差： %10)(bmRK每个电阻箱的相对误差由下面公式来计算：相对误差： （2-3-10RbK）（测 测1）式中： 为标称误差（准度等级）

4、，即电阻箱的准度等级，是电阻箱的相对误差。K在电阻箱的标牌上可读出 称为接触电阻所引的误差； 为常熟 0.2； 为所用电阻箱Rmbbm的旋钮数； 为电阻箱在使用时的指示值标称误差和接触误差之和。R4.电表（一） 、电表的工作原理1检流计常用来检测电路中有无电流通过。接线一般不考虑极性。实验中用作电桥或电位差计的指零。图 2-3-5检流计电路框图如图 2-3-5 所示，直流电流经电流取样后，电流量转换成电压量，经低通滤波和放大后，加到指针式表头，偏移显示所测电流的大小和极性。2电压表电压表有毫伏表和伏特表。接线时要注意极性、量程 、内阻 。 Vm Rv2-3-6 电压表 图 2-3-7 电流表3

5、电流表电流表有安培表、毫安表、微安表，接表时注意看量程 、内阻 、接线极性 ，如图Im Rg2-3-7 所示。（二） 、电表的使用：1正确放置和零点调整。2量程选择：根据待测量选择合适量程，尽量使指针偏转到 满刻度的 2/3 为宜。3正确读数：视线垂直于表盘并在指针正上方读数。RL EUUx UARX RAVARVKIx图 2-3-8 安培表内接法测量电阻的电路4电表的误差通用电表分为七个准确度等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0（2-3-2）仪 表 等 级量 程仪 器 最 大 误 差 KII（三） 、应用举例：例题：用量程为 的电表测量某一支路电流，电表指针示数为 2

6、.26A，若电表的准确度等3A级为 0.5，读数结果应怎样表示？ AII 02.15.%.03K仪 表 等 级量 程仪 器 最 大 误 差读数结果表示为：（2-3-3）A2.6I【实验原理】1. 安培表内接法及误差分析如图 6-1-1 所示为安培表内接法测量电阻的电路。我们需要测量的是通过待测电阻的电流 Ix和待测电阻两端的电压 Ux。安培表测出的虽然是 Ix，而伏特表测出的却是 Ux和安培表两端电压 UA之和 U，可见，安培表的内阻不为零，使电压的测量产生了误差。测量值 （2-3-xIR4）实际值 （2-3-5）xIUAxxARI相对误差 （2-3-6）RE可见，采用“内接法”时，待测电阻值

7、 R 越高，测量越准确，故“内接法”电路适宜测量高值电阻。2安培表外接法及误差分析如图 2-3-9 所示为安培表外接法测量电阻的电路。这时，伏特表测出的虽是待测电阻两端的电压 Ux,但安培表测出的却是通过待测电阻的电流 Ix 和通过伏特表的电流 Iv 之和。伏特表的内阻并不是无穷大，要使电流的测量产生误差。测量值 AxIUR实际值 xI又： VXAI因此，（2-3-7）)1()1()1()(VXXVXXVVXRURIII相对误差 （2-3-8）VVxx RRE1可见，待测电阻值 R 比伏特表内阻值小得多时，采用“外接法”测定越准确，故外接法电路适宜测量低值电阻。3滑线变阻器的连接、分压电路的分

8、析K图 2-3-9 安培表外接法测电阻ERVUx IARLIxIV当待测电阻 RL不是比变阻器 R 大很多时，分压电路输出电压就不再与滑动端的位移成正比了。实验研究和理论计算都表明，分压与滑动端位置之间的关系。 RL/R 越小，曲线越弯曲，这就是说当滑动端从 B 端开始移动，在很大一段范围内分压增加很小，接近 A 端时,分压急剧增大，这样调节起来不太方便。因此作为分压电路的变阻器通常要根据外接负载的大小来选用。必要时，还要同时考虑电压表内阻对分压的影响。4. 实验线路的比较与选择选择本实验用的电表和待测电阻参数时，使两种电路的系统误差有明显的区别，由（2-3-6） （2-3-8）式系统误差公式

9、可推出：对于小的待测电阻 Rx0应力求满足接近 n 倍 RA和远小于 RV， （ Rv/RXR X/RA）并采用安培表外接法。如： Rx=2RA，图 2-3-8 电路的相对误差可达到 50%； Rx=RV/50，图 2-3-9 电路的相对误差约为 2%。对于大的待测电阻 Rx应力求接近 RV和远大于 RA， Rv/RXRA，且 RV和 R 相差不多时，宜选用电流表内接。（3）当 RxRA，且 RxRV时，则必须先用电流表内接法和外接法测量，然后再比较电流表的读数变化大还是电压表的读数变化大？根据比较结果再选择电流表采用内接还是外接，具体方法如下：选择测量线路如图 2-3-10 所示。将 K2置

10、于位置 1 并合上 K1，调节分压输出滑动端 C，使电压表（可设置电压值 U1=5.00V）和电流表有一合适的指示值，记下这时的电压值 U1和电流值 I1，然后将 K2置于位置 2，调节分压输出滑动端C，使电压表值不变，记下 U2和 I2。将 U1、 I1与 U2、 I2进行比较，若电流表示值有显著变化（增大） ， R 便为高阻（相对电流表内阻而言） ，则采用电流表内接法。若电压表有显著变化（减小） ， R 即为低阻（相对电压表内阻而言） ，则采用电流表外接法。按照系统误差较小的连接方式接通电路（即确定电流表内接还是外接） 。但若无论电流表内接还是外接，电流表示值和电压表示值均没有显著变化，则

11、采用任何一种连接方式均可（为什么会产生这样的现象？） 。【实验内容及步骤】（1）实验前完成方案设计中需求解决的各个问题，并将答案记录在数据记录表格上；（2）实验开始时，将预习本交指导老师审阅，并取得教师指导。根据预习报告完成情况的优劣，教师确定实验者是否已经具备实验的基本知识，是否能给予实验动手操作的机会；（3）按照已经设计好的实验线路图接线。注意应先在桌面上布置好实验仪器，然后再将线路分成几个回路，逐一连接。接线时确保所有开关都处于打开（断路）状态。接线完成后，务必请指导老师检查线路，方可接通电源进行下一步操作；（4）调节滑线变阻器，使电流表读数为确定值（具体数值有实验室提供） ；（5）读取

12、并记录电压表的读数，注意有效数字的位数。换另一电阻，重复步骤（3）（5） 。【数据记录及处理】（1）根据测量数据，分别计算两个待测电阻值:表 2-3-1 测量数据输入电压 U/v 电流 I/mA 电压表 U/v 电压表量程 R 测 / R 真 /3.02.52.0小电阻1.57.57.06.5大电阻6.0（2）根据自己推导得到的修正公式，对待测量得到的电阻阻值进行修正，算得电阻阻值的修正值，比较修正前后两个电阻阻值，看哪个阻值更接近用欧姆表测量的结果；（3）撰写符合要求的实验报告，报告中必须要有实验结果和对本实验的分析或体会（字数不少于 500 字） 。【注意事项】1.连接电路的过程中，电键要

13、断开。2.电流表、电压表的使用。 （串并联、正负接线柱、量程、读数）3.连接好电路，滑动变阻器滑片在最大阻值处。 （保护电路的作用）4.电路连接顺序（滑动变阻器最大值）【思考题】如果在测量某个电阻时，错误地使用了电流表的接法（内接错接成外接或者相反） ，将对实验结果带来怎样的影响？如有时间，用实验结果来回答这个问题。2.3.2 二极管伏安特性的测量【实验目的】通过对二极管伏安特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特点，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。【预习题】1.简述二极管的正向、反向特点。2.测量二极管的伏安特性时，测正向和反向伏安特性时采用的电路是否有区别？【伏安特性描述】

14、对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过(多数载流子导电)，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为 0.2V 左右，硅管为 0.7V 左右) ，电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。二极管伏安特性示意图 2-3-11，2-3-12图 2-

15、3-11 锗二极管伏安特性 图 2-3-12 硅二极管伏安特性【实验电路】 图 2-3-13 二极管反向特性测试电路1、反向特性测试电路二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。测试电路如图 2-3-13，电阻选择 5102、正向特性测试电路二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。电源电压在 010V 内调节，变阻器开始设置 510，调节电源电压，以得到所需电流值。图 2-3-14 二极管正向特性测试电路【数据记录】表 2-3-2 反向伏安曲线测试数据表U(V)I( )Au电阻计算值( )表 2-3-3 正向伏安曲线测试数据表正向伏安曲线测试数据 I( ) mU(V)电阻直算值( )【思考题】1、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么？2、在制定表 2-3-3 时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表 2-3-3 中加一项“ 电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。注意： 实验时二极管正向电流不得超过 20mA。