大物實驗講義fuan

1、電學(xué)元件伏安特性的測量電路中有各種電學(xué)元件，如碳膜電阻、線繞電阻、半導(dǎo)體二極管和三極管，以及光敏和熱敏元件等等。人們常需要了解它們的伏安特性，以便正確地選用它們。伏安特性的測量中所用的實驗方法、儀器以及用到的分壓器線路都是電學(xué)實驗中最基本的，因此做這個實驗可以作為電學(xué)實驗的基本訓(xùn)練。1. 實驗?zāi)康?1)(2)(3)(4)了解分壓器電路的調(diào)節(jié)特性；掌握測量伏安特性的基本方法、線路特點及伏安法測電阻的誤差估算；學(xué)習(xí)按回路接線的方法；初步了解定理的內(nèi)容。實驗原理分壓電路及其調(diào)節(jié)特性 分壓電路的接法如圖 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，而將滑動瑞 C 和任一固定

2、端（A 或 B，圖中為 B）作為分壓的兩個輸出端接至負載 RL。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，這時分壓為零。E電源電壓理想情況ARL/R1/11/31/71/20輸出電壓 UERLRVCBBAC 端位移圖 1 分壓電路圖 2 分壓電路輸出電壓與滑動端位置的關(guān)系 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，那末根據(jù)歐姆定律很容易得出分壓為U BC L E（1）R LBC (RR BC )從上式可見，因為電阻 RBC

3、 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 RL 的大小有關(guān)。理想情況下，即當(dāng) RL R 時，UERBCR，分壓 U 與阻值 RBC 成正比，亦即隨著滑動瑞至 A，分壓 U 從零到 E 線性地增大。C 從 B 滑當(dāng) RL 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。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 2 的曲線所示。RLR 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

4、時，還要同時考慮電壓表內(nèi)阻對分壓的影響。(2) 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和電流為縱坐標作出元件的電壓電流關(guān)系曲線，稱為該元件的伏安特性曲線。1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關(guān)系變化，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 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 4 所

5、示為一例。I /mAI /mAOOU/VU/V圖 3 線性元件的伏安特性圖 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（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。(3) 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 5（a）中電流表內(nèi)接和圖 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

6、 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 RUI，但這樣會引進一定的系統(tǒng)性誤差。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 U R(2 a)II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1I1(2 b)RURVmAmARVVR（a）電流表內(nèi)接圖 5（b）電流表外接測量電阻伏安特性的線路顯然，如果簡單地用 UI 值作為被測電阻值，電流表內(nèi)接法的結(jié)果偏大，而電流表外接法的結(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

7、 (RV /R )的大小（比較時 R 取粗側(cè)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，量程和準確度等級一定時，可以按講義II-2電磁學(xué)實驗基本儀器所述方法估算電壓（或電流）的測量不確定度U（I）。這樣，用有下式。RUI 簡化計算時2 RU I22 ()(3)R可見要使電阻測量的準確度高，線路參數(shù)的選擇應(yīng)使讀數(shù)盡可能接近滿量程（選擇原則 2）。( R )已知時，可用（2 a）或（2 b）式更準確當(dāng)電壓表（電流表）的內(nèi)阻值 RV (RI )及其不確定度大小 RVI地求得被測電阻值 R，R 的不確定度 R

8、 可分別按下式計算 2 2 2 2 RI RR電流表內(nèi)接時： R R U I I 1 I （4 a）RIU I 2 2 2 2 IU RV 電流表內(nèi)接時： R R U I 1 （4 b）RVRVRV用（2a）或（2b）式來得到電阻值 R 時，線路方案及參數(shù)的選擇應(yīng)使R/R況下，分別從（4 a）和（4 b）二式求得的R/R 是相差不大的。最?。ㄟx擇原則 3）。在一些情(4)定理定理（Thevenheorem）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 Ee 為二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，內(nèi)阻抗 Re 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

9、總電阻。本實驗所用的網(wǎng)絡(luò)如圖 6 所示，根據(jù)別為：定理，等效電動勢 Ee 和內(nèi)阻 Re 分Ee=ER2 /(R1+ R2) Re=R3+R1R2 /(R1+ R2)(5)(6)R3R1ER2大家可以根據(jù)定理的內(nèi)容，自己試著推導(dǎo)出這兩個公式。實驗任務(wù)半定量觀察分壓電路的調(diào)節(jié)特性圖 6 有源二端網(wǎng)絡(luò)選用一適當(dāng)阻值的變阻器 R 接成分壓電路，以電阻箱作為外接負載 RL ，當(dāng) RLR 取不同比值時，測定并觀察輸出電壓隨滑動端位移的變化情況（只作，不作曲線）。(2) 對于電阻值約為 12k和 0.1k的兩個電阻，分別用圖 5 所示的兩種方法測量，詳細實驗數(shù)據(jù)。課后對實驗數(shù)據(jù)進行計算、分析和比較，計算結(jié)果

10、并得出結(jié)論。(3) 測定半導(dǎo)體二極管正反向伏安特性，并作出伏安特性曲線。 線路設(shè)計中應(yīng)注意到：半導(dǎo)體二極管正向電阻很小，須加保護電阻，以防止電流超過二極管允許的正向電流值；二極管反向電阻又很大，應(yīng)改換線路，同時要注意外加反向電壓不得超過二極管允許的最大反向電壓值。實驗前應(yīng)先了解被測二極管的規(guī)格。 實驗時注意測量點的選取。當(dāng)電壓接近二極管的正向?qū)妷海ㄦN管約為 0.3V，硅管約為 0.7V）時，電流將急劇變化，故在測量時應(yīng)注意哪個量變化快，以變化快的作為自變量來選取測量點。 將正反向伏安特性曲線畫在同一個圖上，特性曲線上反向的 U 和 I 都應(yīng)取負值。(4) 步驟一將 9V 電源的輸出接到四端

11、網(wǎng)絡(luò)的輸入端上，組成一個有源二端網(wǎng)絡(luò)，如圖 7 中虛線框所示。框內(nèi)電路對外部電路來說，可以等效成一個電動勢為 Ee 和內(nèi)電阻為 Re 相串聯(lián)的簡單電路，如圖 8 虛線框內(nèi)所示。要求用實驗方法求出等效電動勢 Ee 和等效內(nèi)阻 Re。定理的實驗驗證方法一：外接一可變負載電阻（電阻箱），測出若干組不同負載下的輸出端電壓 Ui 和電流 Ii 的值（內(nèi)阻對 Ui 和 Ii 測量結(jié)果可能產(chǎn)生的已定系統(tǒng)誤差應(yīng)予修正），課后用最小二乘法或作圖法，從直線上求出 Ee 和 Re。方法二：課內(nèi)測出兩組 Ui 和 Ii 的值，或由方法一的數(shù)據(jù)中選擇較合適的兩組數(shù)（均已修正內(nèi)阻可能引Ui= Ee IiRe (i=1，2

12、) 求出 Ee 和 Re。起的已定系統(tǒng)誤差），代入方程組3IReI+輸出端Eeu入端u圖 7有源二端網(wǎng)絡(luò)圖 8 有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電路 步驟二用中方法二的實驗結(jié)果，將可調(diào)電源（內(nèi)阻較小，忽略其影響）的輸出電動勢調(diào)成 Ee 的值，將示值為 Re 的電阻箱和 Ee 串聯(lián)，組成等效電路（如圖 8 所示），測量外電路負載電阻分別為 200、1k時的電壓、電流值，得出圖 7 左側(cè)電路可否用圖 8 電路來等效的結(jié)論。 步驟三實驗時記下網(wǎng)絡(luò)中各個電阻的值，代入(5)和(6)兩式計算出 Ee 和 Re，將結(jié)果和實驗結(jié)果比較，計算出它們之間的相對偏差，并簡單實驗結(jié)果。4.數(shù)據(jù)表格(1) 半定量觀察分壓電路的調(diào)節(jié)特

13、點選取變阻器 R（ 102103量級）(2) 兩種線路的對比研究電流表準確度等級，量程 ImmA，RI ， RI 電壓表準確度等級，量程 UmV 時，RV ， RV 量程 UmV 時，RV ， RV 4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)電壓讀數(shù) U(V)電流讀數(shù) I(mA)b 接法（電流表外接）電壓表量程 U m (V)電壓讀數(shù) U(V)電流讀數(shù) I(mA)計算a接法R=U/I-RI（） R R 按（4 a）式計算簡化計算誤差（U/I-R）（）RBC /RU(V)RL ()00.20.40.60.81(RL /R10)(RL /R)1(RL /R)0.1輸(3) 測定半導(dǎo)體二極管正反向伏安特性（自擬線路圖和數(shù)據(jù)表格）。(4)5. 思考題定理的實驗驗證（自擬數(shù)據(jù)表格）。(1) 如圖 9 所示的分壓電路中，取滑動端 C 和固定端 A 作為分壓輸出端接至負載，哪端電位高；哪端電位低？分壓輸出為零時 C在什么位置？EECRCAABBRRLRL圖 9 分壓電路圖 10 分壓電路的一種錯誤接法(2)(3)(4)半導(dǎo)體二極管的正向電阻小而反向電阻很大，在測定其伏安特性時