實驗三電學(xué)元件伏安特性測量

1、大學(xué)物理實驗(鄭州大學(xué)實驗三電學(xué)元件伏安特性測量【實驗?zāi)康摹?1半定量觀察分壓電路的調(diào)節(jié)特性; (2測定給定電阻的阻值;(3測定半導(dǎo)體二極管正反向伏安特性; (4戴維南定理的實驗驗證?！緦嶒炘怼恳?、分壓電路及其調(diào)節(jié)特性 1、分壓電路的接法如圖3.1.1所示,將變阻器R 的兩個固定端A 和B 接到直流電源E 上,而將滑動端C 和任一固定端(A 或B ,圖中為B 作為分壓的兩個輸出端接至負載R L 。圖中B 端電位最低,C 端電位較高,CB 間的分壓大小U 隨滑動端C 的位置改變而改變,U 值可用電壓表來測量。變阻器的這種接法通常稱為分壓器接法。分壓器的安全位置一般是將C 滑至B 端,這時分壓為

2、零。 圖3.1.1 分壓電路 圖3.1.2 分壓電路輸出電壓與滑動端位置的關(guān)系2、分壓電路的調(diào)節(jié)特性如果電壓表的內(nèi)阻大到可忽略它對電路的影響,那么根據(jù)歐姆定律很容易得出分壓為:(BC LL BC BCR R U E RR R R R =+從上式可見,因為電阻R BC 可以從零變到R ,所以分壓U 的調(diào)節(jié)范圍為零到E ,分壓U 與負載電阻R L的大小有關(guān)。理想情況下,即當(dāng)R L >>R 時,U=ER BC /R ,分壓U 與阻值R BC 成正比,亦即隨著滑動端C 從B 滑至A ,分壓U 從零到E 線性地增大。當(dāng)R L 不是比R 大很多時,分壓電路輸出電壓就不再與滑動端的位移成正比了。

3、實驗研究和理論計算都表明,分壓與滑動端位置之間的關(guān)系如圖3.1.2的曲線所示。R L /R 越小,曲線越彎曲,這就是說當(dāng)滑動端從B 端開始移動,在很大一段范圍內(nèi)分壓增加很慢,接近A 端時分壓急劇增大,這樣調(diào)節(jié)起來不太方便。因此作為分壓電路的變阻器通常要根據(jù)外接負載的大小來選用。必要時,還要同時考慮電壓表內(nèi)阻對分壓的影響。二、電學(xué)元件的伏安特性在某一電學(xué)元件兩端加上直流電壓,在元件內(nèi)就會有電流通過,通過元件的電流與其端電壓之間的關(guān)系稱為電學(xué)元件的伏安特性。一般以電壓為橫坐標(biāo),電流為縱坐標(biāo)作出元件的電壓電流關(guān)系曲線,稱為該E A BC 端位移 輸 出 電 壓 U 理想情況 1/11/31/7 RL

4、/R=1/20元件的伏安特性曲線。對于碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻等電學(xué)元件,在通常情況下,通過元件的電流與加在元件兩端的電壓成正比,即其伏安特性曲線為一通過原點的直線。這類元件稱為線性元件,如圖3.1.3所示。至于半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管、熱敏電阻等元件,通過元件的電流與加在元件兩端的電壓不成線性關(guān)系變化,其伏安特性為一曲線。這類元件稱為非線性元件,圖3.1.4所示為一例。 圖3.1.3 線性元件的伏安特性圖3.1.4某非線性元件的伏安特性在設(shè)計測量電學(xué)元件伏安特性的線路時,必須了解待測元件的規(guī)格,使加在它上面的電壓和通過的電流均不超過元件允許的額定值。此外,還必須了解測量時所需其他儀器的規(guī)格

5、(如電源、電壓表、電流表、滑線變阻器等的規(guī)格,也不得超過儀器的量程或使用范圍。同時還要考慮,根據(jù)這些條件所設(shè)計的線路,應(yīng)盡可能將測量誤差減到最小。三、實驗線路的比較與選擇用伏安法測量電阻R的伏安特性的線路中,常有兩種接法,即圖3.1.5(a中電流表內(nèi)接和圖3.1.5(b中電流表外接兩種方法。電壓表和電流表都有一定的內(nèi)阻(分別設(shè)為RV和RI,簡化處理時可直接用電壓表讀數(shù)U除以電流表讀數(shù)I來得到被測電阻值R,即R=U/I,但這樣會引起一定的系統(tǒng)誤差。當(dāng)電流表內(nèi)接時,電壓表讀數(shù)比電阻端電壓值大,應(yīng)有:R=11V式(3.1.2a在電流表外接時,電流表讀數(shù)比電阻R中流過的電流值大,這時應(yīng)有:111式(3

6、.1.2b圖3.1.5(a電流表內(nèi)接圖3.1.5(b電流表外接顯然,如果簡單地用U/I值作為被測電阻值,電流表內(nèi)接法的結(jié)果偏大,而流表外接法的結(jié)果偏小,都有一定的系統(tǒng)性誤差。在需要做這樣簡化處理的實驗場合,如果為了減小上述系統(tǒng)性誤差,測電阻的方案就可這樣選擇:比較lg(R/RI和lg(R V/R的大小(比較時R取粗測值或已知的約值,前者大則選電流表內(nèi)接法,后者大則選用電流表外接法(選擇原則1。由于本實驗中所用的電壓表和電流表均為指針式磁電系儀表,量程和準(zhǔn)確度等級一定時,按本實驗室約定用3.0節(jié)中的式(3.0.1來估算電壓(或電流的測量不確定度U(I。這樣,用R=U/I簡化計算時有:R R= 式

7、(3.1.3 可見要使電阻測量的準(zhǔn)確度高,線路參數(shù)的選擇應(yīng)使電表讀數(shù)盡可能接近滿量程(選擇原則2。當(dāng)電壓表(電流表的內(nèi)阻值R V (R I 及其不確定度大小RV(RI已知時,可用式(3.1.2a或式(3.1.2b更準(zhǔn)確地求得被測電阻值R ,R 的不確定度R 可如下計算:電流表內(nèi)接時,1/RI R R U I = 式(3.1.4a 電流表外接時,/1/R VU I RR = 式(3.1.4b 用式(3.1.2a或式(3.1.2b來得到電阻值R 時,線路方案及參數(shù)的選擇應(yīng)使R/R 最小(選擇原則3,在一些情況下,分別從式(3.1.4a和式(3.1.4b二者求得的R/R 是相差不大的。四、戴維南定理

8、戴維南定理是指一個含源二端網(wǎng)絡(luò)可以用一個恒壓源串聯(lián)一個內(nèi)阻抗所組成的等效電壓源來代替。恒壓源E e 為二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓,內(nèi)阻抗R e 為含源二端網(wǎng)絡(luò)中所有恒壓源被短路并且所有恒流源被開路后網(wǎng)絡(luò)兩端的總電阻。本實驗所用的網(wǎng)絡(luò)如圖3.1.6所示,根據(jù)戴維南定理,等效電動勢E e 和內(nèi)阻R e 分別為:E e =E ×R 21+R 2式(3.1.5R e =R 3+R 1R 212式(3.1.6圖3.1.6 有源二端網(wǎng)絡(luò)【實驗儀器】穩(wěn)壓電源;700滑動變阻器;電阻箱;電路板;100、200、1k 、12k 電阻各一個;二極管一個;有源二端網(wǎng)絡(luò)一個;伏特表、毫安表各一個;導(dǎo)線若干。【實驗任

9、務(wù)】1、半定量觀察分壓電路的調(diào)節(jié)特性選用阻值為700的變阻器R 接成分壓電路,以電阻箱作為外接負載R L ,穩(wěn)壓電源調(diào)至3V ,電壓表使用3V 量程。A 、取R L =7000(R L /R=10測定滑動端移動至R BC /R 為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1時電壓的值;B 、取R L =700(R L /R=1, 測定滑動端移動至R BC /R 為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1時電壓的值; C 、取R L =70(R L /R=0.1, 測定滑動端移動至R BC /R 為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1時電壓的值。 2、測電阻對于電阻值約為12k 和100的兩個電阻,分

10、別用實驗原理中圖示兩種方法測量。詳細記錄實驗數(shù)據(jù)。3、測定半導(dǎo)體二極管正反向伏安特性 (1正向特性:連接成電流表外接法電路圖,R 0為保護電阻,電壓表采用3V 量程。移動滑動變阻器的滑動端,改變二極管兩端電壓,記錄伏特表和毫安表示數(shù),測量出二極管正向伏安特性。ER 1R 2R 3(2反向特性:改換線路,采用電流表內(nèi)接法,改變二極管兩端電壓,記錄伏特表和毫安表示數(shù),測量出二極管反向 根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制二極管的特性曲線。 4、戴維南定理的實驗驗證 步驟一:將9V 電源的輸出端接到四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端上,組成一個有源二端網(wǎng)絡(luò),如圖3.1.7虛線框所示?？騼?nèi)電路對外部電路來說,可以等效成一個電動勢為E e

11、和內(nèi)電阻為R e 相串聯(lián)的簡單電路,如圖3.1.8虛線框內(nèi)所示。要求用實驗方法求出等效電動勢E e 和等效內(nèi)阻Re 。方法(1:外接一可變電阻(電阻箱,測出若干組不同負載下的輸出端電壓U i 和電流I i 的值,畫出伏安特性曲線。方法(2:由(1中兩組修正已定系統(tǒng)誤差的數(shù)據(jù),代入方程組U i = E e - I i *R e (i=1,2求出E e 和R e 。 步驟二:用方法(2的實驗結(jié)果,將可調(diào)電源的輸出電動勢調(diào)成E e 的值,將示值為R e 的電阻箱和E e 串聯(lián),組成等效電路,測量外電路負載電阻分別為200、1k 時的電壓、電流值。 步驟三:實驗時記下網(wǎng)絡(luò)中各電阻值,代入計算公式算出E

12、 e 和R e :E e =E ×R 2R 1+R 2R e =R 3+R 1R 212 *5、選作實驗:替代法更準(zhǔn)確地測量12k 的電阻思路:用電阻箱的阻值替代被測電阻。 方法:第一步:組成分壓電路,用穩(wěn)壓電源供電,記錄電流表的示值;第二步:將負載用電阻箱替代,調(diào)節(jié)電阻箱阻值,使電流表指針指向相同的示值,記下此時電阻箱的阻值,即為所測電阻的阻值?！驹紨?shù)據(jù)記錄表格】任務(wù)一:半定量觀察分壓電路的調(diào)節(jié)特性 23任務(wù)二:測電阻電流表準(zhǔn)確度等級,量程Im = mA,RI= ,RI= 。電壓表準(zhǔn)確度等級,量程Um = V時,RV= ,RV= ;量程Um= V時,RV = ,RV= 。記錄被測

13、電阻約數(shù)12K0.1Ka接法(電流表內(nèi)接電壓表量程Um/V電壓讀數(shù)U/V電流讀數(shù)I/mAb接法(電流表外接電壓表量程Um/V電壓讀數(shù)U/V電流讀數(shù)I/mA計算a接法R(R=U/I-R I/R/R按式(3.1.4a計算簡單計算誤差(U/I-R/b接法R(R=(I/U-1/Rv-1/R/R按式(3.1.4b計算簡化計算誤差(U/I-R/討論比較(U/I-R,說明簡化處理時哪種方法好比較(R/R,說明應(yīng)用哪種接法好任務(wù)三:測定半導(dǎo)體二極管正反向伏安特性正向特性:測量次數(shù)正向特性1 2 3 4 5 6 7 8 9 10U/VI/mAI修正= I-V/R V 反向特性:測量次數(shù)正向特性1 2 3 4 5

14、 6 7 8 9 10U/VI/mA U修正=U-IR I任務(wù)四:戴維南定理的實驗驗證步驟一:負載阻值R L2005001K 2 K 5 K10 KU i/VI i/mAU修=U+IR I步驟二:負載阻值R L1=200R L2=1K步驟一數(shù)據(jù)U i/V I i/mA步驟二數(shù)據(jù)U i/V I i/mA步驟三:E/V R1/R2/R3/E e/V R e/E e/E eR e/R e*任務(wù)五:替代法更準(zhǔn)確地測量12k的電阻阻值【原始數(shù)據(jù)整理和計算】一、半定量觀察分壓電路的調(diào)節(jié)特性 0V 至電源電壓之間任意值變動,增大了電壓調(diào)節(jié)的范圍。且負載電阻阻值越大,即R L和R的比值越大,輸出電壓的線性特性

15、越好。二、測電阻電流表準(zhǔn)確度等級 1.5% ,量程I m= 5 mA,R I= 39.0 ,R I= 0.6 。電壓表準(zhǔn)確度等級 1.5% ,量程U m= 3 V時,R V= 9.83k ,R V= 0.15k ;量程U m= 0.75 V 時,R V= 2.46k ,R V= 0.04k 。其中I=1.5%*5mA=0.075mA;電壓表使用3V量程時U=1.5%*3V=0.045V;電壓表使用0.75V量程時U=1.5%*0.75V=0.01125V。記錄被測電阻約數(shù)12K0.1Ka接法(電流表內(nèi)接電壓表量程Um/V 3V 0.75V電壓讀數(shù)U/V 1.00 2.00 3.00 0.10

16、0.20 0.30電流讀數(shù)I/mA 0.09 0.18 0.28 0.82 1.52 2.28 b接法(電流表外接電壓表量程Um/V 3V 0.75V電壓讀數(shù)U/V 1.00 2.00 3.00 0.10 0.20 0.30電流讀數(shù)I/mA 0.20 0.44 0.76 1.09 2.10 3.27計算a接法R(R=U/I-R I/11072.1 11072.1 10675.3 82.95 92.58 92.58R/R按式(3.1.4a計算 30.1% 30.1% 32.8% 8.85% 3.28% 3.28%簡單計算誤差(U/I-R/39.0 39.0 39.0 39.0 39.0 39.0

17、 b接法R(R=(I/U-1/Rv-1/10176.0 10455.2 10596.1 92.6 96.2 92.6R/R按式(3.1.4b計算 25.1% 23.5% 21.2% 3.28% 1.65% 3.28%簡化計算誤差(U/I-R/-5176.0 -5110.5 -5145.3 -0.86 -4.87 -0.86討論比較(U/I-R,說明簡化處理時哪種方法好a接法好b接法好比較(R/R,說明應(yīng)用哪種接法好b接法好b接法好由表格中數(shù)據(jù)整理可見,在測量阻值較大的電阻時,應(yīng)盡量選用電流表內(nèi)接法以減小測量的系統(tǒng)誤差;在測量阻值較小的電阻時,應(yīng)盡量選用電流表外接法以減小測量的系統(tǒng)誤差。三、測定

18、半導(dǎo)體二極管正反向伏安特性根據(jù)老師的要求,對正向特性和反向特性均采用電流表內(nèi)接法和電流表外接法進行測量,并對得到的數(shù)據(jù)進行處理和對比。1、正向特性:因為二極管正向?qū)〞r電阻非常小,故加上保護電阻R0 = 1 kOhm,電路組裝完成后,使用量程為3V 的電壓表進行測量。數(shù)據(jù)表格如下頁示。2、反向特性:因為二極管反向截止時電阻非常大,故可不加保護電阻,電路組裝完成后,仍然使用量程為3V的電壓表進行測量。數(shù)據(jù)表格如下頁示。正向特性(外接:測量次數(shù) 正向特性1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U/V0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70

19、 I/mA0.000.010.020.040.060.110.200.340.822.79I 修正= I-V/R V 0.000 0.001 0.002 0.009 0.019 0.059 0.144 0.278 0.754 2.719 正向特性(內(nèi)接:測量次數(shù) 正向特性1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U/V0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 I/mA0.000.010.010.020.050.090.331.012.754.32I 修正= I-V/R V 0.000 0.000 0.002 0.005 0.009 0.

20、039 0.269 0.939 2.669 4.228 反向特性(外接:測量次數(shù) 正向特性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U/V0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 I/mA0.000.030.060.090.120.190.400.801.462.95U 修正=U-IR I 0.000 0.199 0.398 0.596 0.795 0.993 1.184 1.369 1.543 1.685 反向特性(內(nèi)接:測量次數(shù)正向特性1 2 3 4 5 6 7 8 9 10U/V 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

21、 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80I/mA 0.00 0.03 0.04 0.05 0.06 0.09 0.28 0.60 1.14 2.10 U 修正=U-IR I0.000 0.199 0.398 0.598 0.798 0.996 1.189 1.377 1.556 1.7183、根據(jù)外接法測得的正向特性修正后的數(shù)據(jù)和內(nèi)接法測得的反向特性修正后的數(shù)據(jù)繪制出如下的二極管伏安特性曲線:四、戴維南定理的實驗驗證將9V 電源的輸出端接到四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端上,組成一個有源二端網(wǎng)絡(luò),如圖3.1.7虛線框所示?？騼?nèi)電路對外部電路來說,可以等效成一個電動勢為E e 和內(nèi)電阻為R e 相串聯(lián)

22、的簡單電路,如圖3.1.8虛線框內(nèi)所示。要求用實驗方法求出等效電動勢E e 和等效內(nèi)阻R e 。-3-2-10123-2-1.5-1-0.50.51電流/A電壓/V二極管正反向伏安特性曲線伏安特步驟一:負載阻值R L 200 500 1K 2 K 5 K 10 K U i /V 0.76 1.23 1.55 1.78 1.93 1.99 I i /mA4.222.781.851.200.680.48U 修=U+IR I 0.92 1.30 1.62 1.83 1.96 2.01方法(1:測出若干組不同負載下的輸出端電壓U i 和電流I i 的值,并畫出伏安特性曲線如下: 方法(2:選取R L

23、=500和R L =5k 兩組修正后的數(shù)據(jù),根據(jù)公式:U i = E e - I i *R e ,計算出:R e =314.3,E e =2.17V 。 步驟二:負載阻值 R L1=200 R L2=1K 步驟一數(shù)據(jù) U i /V 0.92(修正1.62(修正I i /mA 4.22 1.85 步驟二數(shù)據(jù)U i /V0.78(未修正1.61(未修正I i /mA 4.32 1.92由上表中數(shù)據(jù)比較可知,圖3.1.7電路基本可用圖3.1.8電路來等效。即戴維南等效變換定理成立。 步驟三:E/V R 1/ R 2/ R 3/ E e /V R e / E e /E e R e /R e 9615.37198.50149.222.19 299.3 0.91% 4.78%代入公式:E e =E ×R 2R1+R 2,R e =R 3+R 1R2R 1+R 2,計算得到:E e =2.19V ,R e =299.3。與戴維南定理基本符合。*五、替代法更精確地測量12k 的電阻 電路圖如下所示:測得當(dāng)電阻箱阻值為11600.0時,電流表指針偏轉(zhuǎn)