大学物理实验讲义电阻伏安特性测量

1、1. 练习连接电路，学会几种最基本的电学仪练习连接电路，学会几种最基本的电学仪器和电表的使用。器和电表的使用。2. 学会分析伏安法测量的电表接入误差，学会分析伏安法测量的电表接入误差， 正确选择测量电路。正确选择测量电路。3. 学会用作图法处理实验数据。学会用作图法处理实验数据。 电学元件的伏安特性是指该元件两端电压与通过电学元件的伏安特性是指该元件两端电压与通过它的电流之间的关系特性。它的电流之间的关系特性。 这种关系既可以用它的这种关系既可以用它的 曲线表示，也可曲线表示，也可以用该元件在某种条件下具有多大的电阻来表示。以用该元件在某种条件下具有多大的电阻来表示。ui 在一定温度下，在待测

2、电阻在一定温度下，在待测电阻 两端加上直流电两端加上直流电压，即会有直流电流通过。用电压表和电流表测量出压，即会有直流电流通过。用电压表和电流表测量出电压电压 和电流和电流 的数值则可由欧姆定律计算出其电的数值则可由欧姆定律计算出其电阻值阻值iurxuixr一、基本原理一、基本原理(1-1)实验原理 这种测量电阻的方法称为伏安法。用伏安法测电阻时，这种测量电阻的方法称为伏安法。用伏安法测电阻时，通常要测多组数据，若通常要测多组数据，若 为常量则被测元件是线性电为常量则被测元件是线性电阻；若阻；若 不是常量，则被测元件呈非线性电阻特性。不是常量，则被测元件呈非线性电阻特性。二、测量方法及其系统误

3、差二、测量方法及其系统误差 由于电压表和电流表都存在内电阻所以在实际测由于电压表和电流表都存在内电阻所以在实际测量中所得的电压量中所得的电压 或电流或电流 就与被测元件两端的电压就与被测元件两端的电压或与通过它的电流的真实值不同，由式或与通过它的电流的真实值不同，由式(1-1)计算出的计算出的 也就与也就与 的真实值不一致，即存在系统误差。下面对的真实值不一致，即存在系统误差。下面对两种测量方法及其系统误差进行分析。两种测量方法及其系统误差进行分析。uiiu /iu /测rxr1. 电流表内接法电流表内接法 如图如图1-1(a)，电流表与被测电阻串联在电压表所范，电流表与被测电阻串联在电压表所

4、范围内，此种测量方法称为电流表内接法，简称内接法。围内，此种测量方法称为电流表内接法，简称内接法。vvaaxrxrvrvrarar图图1-1(a) (a) 电流表内接法电流表内接法(b) (b) 电流表外接法电流表外接法 在内接法中，电压表读数为在内接法中，电压表读数为 和和 上的电上的电压之和，即压之和，即arxr若用若用)(axrriuaxriuriur测则则计算电阻值，则计算电阻值，则测rxr其测量的相对误差为其测量的相对误差为xaxxxxrrrrrrr测(1-2) 由式由式(1-2)可见，只有当可见，只有当 时，近时，近似用似用 ，才能使测量误差较小。，才能使测量误差较小。axrrxr

5、r测 2. 电流表外接法电流表外接法 如图如图1-1(b)，电压表与被测电阻并联，电流表在电，电压表与被测电阻并联，电流表在电压表所测范围外，此种测量方法称为电流表外接法，简压表所测范围外，此种测量方法称为电流表外接法，简称外接法。称外接法。 在外接法中，电压表读数为在外接法中，电压表读数为 两端的内电两端的内电压，但压，但电流表读数为流经电流表读数为流经 和和 的电流之的电流之和，即和，即xrxrvrvxvxruruiiivxvxrrrriur测若用若用计算电阻值，则计算电阻值，则其测量的相对误差为其测量的相对误差为测rxrvxvxxxxrrrrrrrr1测(1-3) 由式由式(1-3)可见

6、，只有当可见，只有当 时，近时，近似用似用 ，才能使测量误差较小。，才能使测量误差较小。xrr测xvrr 因此，要较准确地测量电阻的值，应首先知因此，要较准确地测量电阻的值，应首先知道道 、 、 的大概值，从而选择合适的测量电的大概值，从而选择合适的测量电路，以减小测量的系统误差。路，以减小测量的系统误差。xrvrar3.二极管的结构及其基本特性二极管的结构及其基本特性 二极管由半导体材料组成。当一块二极管由半导体材料组成。当一块p型半导体和型半导体和n型型主主要要步步骤骤.1半导体半导体 ，紧密接触时，由于多数载流子的扩散，在接紧密接触时，由于多数载流子的扩散，在接触界面处形成了一个空间电荷

7、区，常称为触界面处形成了一个空间电荷区，常称为pn结，如图结，如图 1-2(a)所示所示(实际上是在同一块半导体上用掺杂的方法形实际上是在同一块半导体上用掺杂的方法形成成p型半导体和型半导体和n型半导体型半导体)。将将pn结封装在玻璃管中结封装在玻璃管中并并在在p区和区和n区各引一根电极区各引一根电极，就成了一个二极管，如图，就成了一个二极管，如图1-2(b)。 图图1-2 p区区n区区pn结结(a)(b) 当二极管的当二极管的p端接高电位、端接高电位、n端接低电位时，称为正向连端接低电位时，称为正向连接；接；当二极管的当二极管的p端接低电位、端接低电位、n端接高电位时，称为反向连端接高电位时

8、，称为反向连接。二极管正向连接时，外加电场的方向与接。二极管正向连接时，外加电场的方向与pn结的内电场方结的内电场方向相反，当外加电场大于内电场时，二极管中有较大的正向向相反，当外加电场大于内电场时，二极管中有较大的正向电流通过。二极管反向连接时，外加电场的方向与电流通过。二极管反向连接时，外加电场的方向与pn结的内结的内电场方向相同，二极管中没有电流通过电场方向相同，二极管中没有电流通过(实际上有很小的反向实际上有很小的反向饱和电流饱和电流)，这就是二极管的，这就是二极管的“正向导通，反向截止正向导通，反向截止”。图图1-3为半导体二极管的伏安特性曲线。由图可以看出，为半导体二极管的伏安特性

9、曲线。由图可以看出，其电压和电流之间不是线性关系，所以称二极管为非线性其电压和电流之间不是线性关系，所以称二极管为非线性电阻元件。二极管的特性是单向导电性。当正向电压较小电阻元件。二极管的特性是单向导电性。当正向电压较小时，二极管呈现出电阻很大，正向电流很小；当电压超过时，二极管呈现出电阻很大，正向电流很小；当电压超过一定数值一定数值(称为开启电压称为开启电压)以后，二极管电阻变得很小以后，二极管电阻变得很小(一般一般为几十欧姆为几十欧姆)，于是电流增长很快。二极管加反向电压时，于是电流增长很快。二极管加反向电压时，呈现的电阻很大，通常在以上，而且反向电压增加，反向呈现的电阻很大，通常在以上，

10、而且反向电压增加，反向电流几乎不变。当反向电压增加到一定数值后，反向电流电流几乎不变。当反向电压增加到一定数值后，反向电流突然增大，对应电流突变这一点的电压称作二极管的反向突然增大，对应电流突变这一点的电压称作二极管的反向击穿电压。击穿电压。 同样地，要较准确地测量同样地，要较准确地测量二极管的伏安特性曲线，也要二极管的伏安特性曲线，也要选择合适的测量电路，以减小选择合适的测量电路，以减小测量的系统误差。测量的系统误差。 图图1-3 直流稳压电源、直流毫安表、直流微安表、直流直流稳压电源、直流毫安表、直流微安表、直流电压表、滑线变阻器。电压表、滑线变阻器。直流稳压电源直流微安表量程50微安10

11、0微安200微安500微安1000微安直流毫安表量程10毫安20毫安40毫安直流电压表量程1.5伏 3伏7.5伏 电工实验板电阻，二极管，开关1xr2xrvaxr0rekvaxr0rek 图1-4(a) 图1-4(b) *注意事项注意事项 1. 为保护直流稳压电源，接通与断开前均需先使其输出为零，为保护直流稳压电源，接通与断开前均需先使其输出为零，然后再接通或断开电源开关，输出调解旋钮的调解必须轻缓。然后再接通或断开电源开关，输出调解旋钮的调解必须轻缓。 2. 更换测量内容前，必须使电源输出为零，然后再逐渐增加更换测量内容前，必须使电源输出为零，然后再逐渐增加至需要值，否则元件将烧毁。至需要值，否则元件将烧毁。 3. 测量二极管时要注意