物理实训课题(伏安特性研究)新

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1、物理实训课题：电学元件的伏安特性研究一、实训目的：1. 掌握用伏安法测电阻的方法2. 理解几种线性、非线性电学元件的伏安特性3. 学会正确使用电压表、电流表及数字万用表4. 用最小二乘法处理实验数据二、实训理论基础：1. 原理：根据欧姆定律 ，只要用电压表测出电阻 R 两端的电压及用电流表测IUR出流过 R 的电流，就可以计算出该电阻的阻值。这种根据电压表、电流表的指示进行测量的方法叫做伏安法。变阻器的分压器接法如下图所示：ALRCBERV将变阻器 R 的两个固定端 A 和 B 接到直流电源 E 上，将滑动端 C 接到负载 。LR则负载 两端的电压 U 为：LERBCLL)(由于 所以 RBC

2、002. 实验线路的比较和选择采用伏安法测量电阻 R 的伏安特性的实验线路中，通常有电流表内接法和电流表外接法（如下图） 。LVAAVLR电压表和电流表的内阻分别为 和 ，电压表和电流表的读数分别为 V 和 I。如果不VRI忽略电压表和电流表的内阻，则电流表内接时： ，当电流表外节时：IRU。从上面两式可以看出，电流表内接法结果偏大，电流表外接法结果VRUI1偏小。因此在实验中为了减小误差，可比较 和 ，如果)/lg(I)/l(V，则采用电流表内接法，如果 ，则选用)/lg()/l(RVI )/lg()/l(IVR电流表外接法。3.误差估计：当电压表（电流表）的内阻值 和不确定度大小 已知时，

3、利用V)(IR)(IV或 计算被测电阻 R，R 的不确定度 按照如下计算：IRUVI1R电流表内接： IUIII/1)/()()( 2222电流表外接： VVVRIIR/1)/()()( 2222三、实训仪器及电学元件：直流电源，安培计，毫安计，微安计，伏特计，数字万用表，金属膜电阻（300 欧和20 欧各一只） ，普通晶体二极管（PNP 型） ，稳压晶体二极管（NPN 型） ，热敏电阻，导线等。1.金属膜电阻 金属膜电阻是常用的电学元件。它的形状如下图表示。电阻上的颜色表示： 1234第一道色环表示阻值的最大一位数字，第二道色环表示阻值的第二位数字，第三道色环表示阻值末应该有几个零，第四道色

4、环表示阻值的误差。色环颜色所表示的数字见下表：棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑1 2 3 4 5 6 7 8 9 03. 热敏电阻 热 敏 电 阻 是 开 发 早 、 种 类 多 、 发 展 较 成 熟 的 敏 感 元 器 件 热 敏 电 阻 由 半 导 体 陶瓷 材 料 组 成 ， 利 用 的 原 理 是 温 度 引 起 电 阻 变 化 若 电 子 和 空 穴 的 浓 度 分 别 为 n、 p，迁 移 率 分 别 为 n、 p， 则 半 导 体 的 电 导 为 ：=q（ nn+pp）因 为 n、 p、 n、 p 都 是 依 赖 温 度 T 的 函 数 ， 所 以 电 导 是 温 度 的

5、 函 数 ， 因 此 可 由测 量 电 导 而 推 算 出 温 度 的 高 低 ， 并 能 做 出 电 阻 -温 度 特 性 曲 线 这 就 是 半 导 体 热 敏 电 阻的 工 作 原 理 热 敏 电 阻 主 要 包 括 正 温 度 系 数 （ PTC） 和 负 温 度 系 数 （ NTC） 热 敏 电 阻 。 热 敏电 阻 的 主 要 特 点 是 ： 灵 敏 度 较 高 ， 其 电 阻 温 度 系 数 要 比 金 属 大 10 100 倍 以 上 ，能 检 测 出 的 温 度 变 化 ； 工 作 温 度 范 围 宽 ， 常 温 器 件 适 用 于 -55 315 ，610高 温 器 件 适

6、 用 温 度 高 于 315 （ 目 前 最 高 可 达 到 2000 ） ， 低 温 器 件 适 用 于 -273 55 ； 体 积 小 ， 能 够 测 量 其 他 温 度 计 无 法 测 量 的 空 隙 、 腔 体 及 生 物 体 内 血 管 的 温度 ； 使 用 方 便 ， 电 阻 值 可 在 0.1 100k 间 任 意 选 择 ； 易 加 工 成 复 杂 的 形 状 ， 可大 批 量 生 产 ； 稳 定 性 好 、 过 载 能 力 强 由 于 半 导 体 热 敏 电 阻 有 独 特 的 性 能 ， 所 以 在 应 用 方 面 ， 它 不 仅 可 以 作 为 测 量 元 件（ 如 测

7、量 温 度 、 流 量 、 液 位 等 ） ， 还 可 以 作 为 控 制 元 件 （ 如 热 敏 开 关 、 限 流 器 ） 和 电 路补 偿 元 件 热 敏 电 阻 广 泛 用 于 家 用 电 器 、 电 力 工 业 、 通 讯 、 军 事 科 学 、 宇 航 等 各 个 领 域 ，发 展 前 景 极 其 广 阔 。3.晶 体 二 极 管 的 伏 安 特 性 晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的 p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界

8、有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流 I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n 结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通

9、，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“ 门槛电压”，锗管约为 0.2V，硅管约为 0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为 0.3V，硅管约为 0.7V） ，称为二极管的“ 正向压降” 。 反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压

10、增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。晶体二极管的正、反向伏安特性曲线如下图所示： 四、实训内容与步骤：1.分别采用电流表内接法和电流表外接法测量阻值为 20 欧和阻值为 300 欧的电阻。将实验数据填入下表，并用坐标纸画出伏安特性曲线。 电阻 1 2 3 4 5 6 7 8 9U )(V300欧姆 I mAU )(20 欧姆 I2.测量普通二极管的正向伏安特性，电压从 0 伏开始取值，间隔 0.1 伏，将数据填入下表，并做出伏安特性曲线。二极管 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14U )(VI mA3.测量稳压二

11、极管的正、反向伏安特性，电压从 0 伏开始取值，间隔 0.1 伏，将数据填入下表，并做出伏安特性曲线。稳压二极管 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15U )(V正向 I mAU )(反向 I 4.用数字万用表测量热敏电阻的阻值与温度之间的变化关系。首先记录室温，然后温度每增加 1 度记录一次数据，将数据填入下表，做出 R-T 曲线。并用最小二乘法求出热敏电阻 R 的线性回归方程。次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14C0R )(K次数 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 280R )(4

12、. 用面包板、整流二极管、MAX1811、7805 及电容、电阻、发光二极管等元件按下图制做一个手机锂电池充电电路。 四、注意事项：1.在本实验中检测稳压二极管是否被击穿，可以用数字万用表的测短路挡 “ .”来测量其电阻值，若正向显示在 0.6-0.8 之间，反向显示为“1”即无穷大时，说明二极管良好，若反向显示在 0.6-0.8 之间，则说明二极管被击穿，需要更换。2.数字万用表的使用方法（自学）3.电流表的选择：测 20 欧电阻时用安培计的 0-0.6A 的量程，测二极管正向伏安特性时用毫安计，测稳压二极管的反向伏安特性时用微安计。五、拓展与思考：1.顾名思义，稳压二极管在电路中可以起到稳

13、定电压的作用。下面是一个小功率电源的电路，请说出稳压二极管是如何进行稳压的？2.热敏电阻的原理是什么？什么是 ptc 和 ntc 热敏电阻？3.晶体二极管都有哪些种类？各有哪些用途？六、收获与体会：附：实训教学过程：模块 1（4 学时）1.教师讲述本实训课题的主要内容。 （1）实训目的：A. 掌握分压电路的原理、掌握电流表内接与外接电路的特点及误差计算，能自行设计电路测量电学元件的伏安特性；B.能熟练使用数字式万用表测量电学元件；C.理解碳膜电阻、金属膜电阻、小灯泡、普通二极管、稳压二极管、热敏电阻的伏安特性；D. 通过制做桥式整流电路进一步训练实际操作能力。 （2）实训内容（略） 。 （3）

14、实训要求与注意事项（略） 。2.实训理论基础：A.讲解分压电路、电流表内接与外接的原理、误差计算；B.数字万用表的使用方法；C.线性和非线性电学元件； D.拓展讲解热敏电阻的制造与应用。3.实训：A.采用电流表外接和内接法分别测量 20 欧姆、300 欧姆电阻的伏安特性，根据测量数据用坐标纸画出其伏安特性曲线；B.测量热敏电阻的伏安特性，画出电阻随温度变化的曲线，并用最小二乘法处理数据，得出经验公式。4.选写实训报告。模块 2（4 学时）1.实训理论基础：拓展讲解A. 半导体材料的发现及对二十世纪电子工业革命的重大贡献、P 型半导体、N 型半导体、PN 结的形成原理、PN 结的特性；B.晶体二

15、极管的种类、用途；C. 晶体二极管的正、反向伏安特性。2.实训：A.用电流表外接法测量小灯泡的伏安特性，画出伏安特性曲线。要求用三节干电池做电源，使用 500 毫安量程电流表。B.用电流表内接法设计电路测量普通二极管的正向伏安特性，画出伏安特性曲线，要求用一节干电池做电源，使用 1030 毫安量程电流表。C.测量稳压二极管的正、反向伏安特性，画出伏安特性曲线。要求用两节干电池做电源，正向伏安特性使用 1030 毫安量程电流表，反向伏安特性使用 100 微安量程的电流表。在上述实训项目中，注意在曲线的特殊位置测量点要密集些。3.选写实训报告。模块 3（4 学时）1.实训理论基础：A.讲解小型电源的稳压整流电路（手机充电器） ，认识所用电学元件的型号、电路图。B.面包板的使用方法；2.实训：制做稳压整流电路（首先写出设计方案，然后制做） 。3.做思考题、写实训总结、完善全部三个模块的实训报告。