1、實驗七線性電阻和非線性電阻的伏安特性曲線電阻是電學中常用的物理量。利用歐姆左律求導體電阻的方法稱為伏安法，它是測量電阻 的基本方法之一。為了研究材料的導電性，通常作岀苴伏安特性曲線，了解它的電壓與電流的關系。伏安特 性曲線是直線的元件稱為線性元件，伏安特性曲線不是直線的元件稱為菲線性元件。這兩種元 件的電阻都可用伏安法測量。但由于測量時電表被引入測量線路，電表內阻必然會影響測量結 果，因而應考慮對測量結果進行必要的修正，以減少系統誤差。【實驗目的】1. 通過對線性電阻伏安特性的測量，學習正確選擇和使用伏安法測電阻的兩種線路。2. 通過對二極管伏安特性的測量，了解非線性電學元件的導電特性。3.

2、習按電路圖正確地接線，掌握限流電路和分壓電路的主要特點。4. 學會用作圖法處理實驗數據。【實驗儀器】歐姆左律實驗盒直流穩壓電源滑線變阻器（2個）單刀開關 數字電流表 數字電壓表保護電阻【實驗原理】當一個元件兩端加上電壓，元件內有電流通過時，電壓與電流之比稱為該元件的電阻。若 一個元件兩端的電壓與通過它的電流成比例，則伏安特性曲線為一條直線，這類元件稱為線性 元件。若元件兩端的電壓與通過它的電流不成比例，則伏安特性曲線不再是直線，而是一條曲 線，這類元件稱為非線性元件。一般金屬導體的電阻是線性電阻，它與外加電壓的大小和方向無關，英伏安特性是一條直 線（見圖1）,從圖上看岀，直線通過一、三象限。它

3、表明，當調換電阻兩端電壓的極性時， 電流也換向，而電阻始終為一立值，等于直線斜率的倒數R=VL(b)圖2半導體二極管的p-n結和表示符號常用的半導體二極管是非線性電阻，其電阻值不僅與外加電壓的大小有關，而且還與方向 下而對它的結構和電學性能作一簡單介紹。半導體二極管又叫晶體二極管。半導體的導電性能介于導體和絕緣體之間。如果在純凈的 半導體中適當地摻入極微量的雜質，則半導體的導電能力就會有上百萬倍的增加。加到半導體 中的雜質可分成兩種類型:一種雜質加到半導體中去后,在半導體中會產生許多帶負電的電子, 這種半導體叫電子型半導體（也叫N型半導體）：另一種雜質加到半導體中會產生許多缺少電子的空穴（空位

4、），這種半導體叫空穴型半導體（也叫P型半導體）。半導體二極管是由兩種具有不同導電性能的N型半導體和P型半導體結合形成的p-n結 所構成的。它有正、負兩個電極，正極由P型半導體引出，負極由n型半導體引出，如圖2（a） 所示。p-n結具有單向導電的特性，常用圖2 （b）所示的符號表示。關于p-n結的形成和導電性能可作如下解釋。如圖3 （a）所示，由于P區中空穴的濃度比n區大，空穴便由P區向n區擴散；同樣， 由于n區的電子濃度比P區大，電子便由n區向P區擴散。隨著擴散的進行，P區空穴減少， 岀現了一層帶負電的粒子區（以表示）：n區的電子減少，出現了一層帶正電的粒子區（以 表示）。結果在P型與n型半導

5、體交界的兩側附近，形成了帶正、負電的薄層區，稱為p-n結。 這個帶電薄層內的正、負電荷產生了一個電場，其方向恰好與載流子（電子、空穴）擴散運動 的方向相反，使載流子的擴散受到內電場的阻力作用，所以這個帶電薄層又稱為阻擋層。當擴 散作用與內電場作用相等時，P區的空穴和n區的電子不再減少，阻擋層也不再增加，達到動 態平衡，這時二極管中沒有電流。-內電場方向4擴散運動方向內電場方向外電場方向+正向電流（較大）（b）圖3 p-n結的形成和單向導電特性如圖3 （b）所示，當p-n結加上正向電壓（P區接正，n區接負）時，外電場與內電場方 向相反，因而削弱了內電場，使阻擋層變薄。這樣，載流子就能順利地通過p

6、-n結，形成比較 大的電流。所以，p-n結在正向導電時電阻很小。如圖3 （C）所示，當p-n結加上反向電壓（P區接負，n區接正）時，外加電場與內電場 方向相同，因而加強了內電場的作用，使阻擋層變厚。這樣，只有極少數載流子能夠通過p-n 結，形成很小的反向電流。所以p-n結的反向電阻很大。半導體二極管的正、反向特性曲線如圖四 所示。從圖上看岀，電流和電壓不是線性關系， 各點的電阻都不相同。凡具有這種性質的電阻， 就稱為非線性電阻。二極管的伏安特性是非線性的，如圖4所示。 第一象限的曲線為正向伏安特性曲線，第三象限 的曲線為反向特性曲線。由曲線可看出，二極管 的電阻值（曲線上每一點的斜率）隨U、I

7、的變 化在很大的范用內變化（稱為動態電阻）。當二極 管加正向電壓時，在OA段正向電流隨電壓的變化 緩慢，電阻值較大。在AB段二極管的電阻值隨U的增加很快變小，電流迅速上升，二極管 呈導通狀態。若二極管加反向電壓，在OC段，反向電流很小，并幾乎不隨反向電壓的增加而 變化。二極管呈截止狀態，電阻值很大。當電壓繼續增加，電流劇增，二極管被擊穿，電阻值(a)內電場方向 外電場方向反向電流（很小）（C）I (毫安)100正向8060420死區/ A-50-25C Z- r O 0.40.8 V（伏）靑穿電壓5 / 反向F 4 （微安）圖4半導體二極管的伏安特性趨于零。因此，若要用伏安法較精確的測量二極管

8、的伏安特性曲線，必須正確地選擇測量線路。【伏安法測電阻的線路分析】歐姆左律是直流電路的基本泄律。在電阻R中通以電流I,其兩端的電壓為U,則有R=匕/用電壓表測得U,用電流表測得I,即可求出R“這種方法稱為“伏安法二用伏安法測電阻, 通常釆用圖七所示的兩種線路。圖5 (a)為電流表的內接法，圖5 (b)為電流表的外接法。R1(a)內接法R=Hn(b)外接法圖5測電阻的線路但是，由于電表有內阻，無論采用內接法還是外接法，均會給測量帶來系統誤差。在圖 七(a)中，設電流表的內阻為Rz則 U=UR+叫U為電壓表的指示值。若將電壓表的指示值作為待測電阻R兩端的電位差，給測量帶來的系 統誤差為故有Ur=U

9、-UR=IRA =R只有當電流表內阻Ra待測電阻R時，能使啟,用內接法測量電阻不會帶來明顯的系 統誤差。同樣，在圖七(b)中，設電壓表的內阻為Rv,貝IJI = IR+IvI為電流表指示值。若將電流表的指示值I作為流經電阻R的電流，給測雖:帶來的系統誤差為 RlR =I-IR=IV =IR 匚-KV故有Ir R IR RV只有當電壓表內阻遠大于待測電阻R時，能使學(),用外接法測量電阻不會帶來明顯的系 IR統誤差。綜合上兩種情況，可得當raa時，用內接法系統誤差小。當RV阿兀時，用外接法系統誤差小。當R=血而時，兩種接法可任意選用。因此，通常只在對電阻值的測量精確度要求不髙時，才使用伏安法，并

10、且還要根據電表 的內阻Ra、RV和待測電阻值的大小來合理選擇測雖線路。測左元件的伏安特性曲線與測量元件的電阻一樣，也存在著用電流表內接還是外接的問 題，我們也應根據待測元件電阻的大小，適當地選擇電表和接法，減小系統誤差，使測出的伏 安特性曲線盡可能符合實際。【分壓電路和限流電路】要測左元件的伏安特性曲線，就要改變加在元件上的電壓。利用滑線電阻來改變加在元件 上的電壓，方法有兩種：1. 限流電路如圖6所示，滑線電阻與待測元件串聯，改變滑線電阻的阻值，就可以改變待測元件與滑 線電阻的分壓比，從而達到調右待測元件電壓的目的。限流電路的特點：簡單、省電、但可調 節范圍小。待測電阻圖6 限流電路待測電阻

11、2. 分壓電路如圖7所示，當滑線電阻上有電流流過時，沿滑線電阻上各點的電位逐漸變化，當滑動點 P從A往B移動時，PA兩點的電壓逐漸升髙，從而使待測元件上得到連續變化的電壓。分壓電路的特點：調節范囤大，電壓變化的線性好，但較費電。3. 粗調與細調實驗中會發現只用一個滑線電阻有時很難調節到位。為此，可增加一個阻值較小的滑線電 阻作為細調，如圖8所示。TIRzJ RXTT(b)分壓+限流電路(a)雙分壓電路圖8粗調與細調【實驗內容】(一)測繪金屬電阻的伏安特性曲線1. 按圖9接好線路，根拯待測電阻選擇開關K2接向還是“2S注意將分圧器Rl 的滑動端調至電壓為零的位置，將R2阻值調到最大：電流表和電壓

12、表的量限要選擇得適當。2. 經教師檢查線路后，接通電源，將電源E調到10V,滑線電阻器的滑動頭，從零開始 逐步增大電壓（例如取0.00V.0.50V 1.00VJ.50V, 5.V）,讀出相應的電流值3. 將電壓調為零，改變加在電阻上的電壓方向（可將電源電壓E正負調換），取電壓為0.00V, -0.50V, -1.00V, -1.50V,-5.V,讀出相應的電流值。4. 將測得的正、反向電壓和相應的電流值填入預先自擬的表格。以電壓為橫坐標，電流 為縱坐標，繪出金屬膜電阻的伏安特性曲線（注意：線兩側的數據點應均勻分布）。5. 利用直線的斜率訃算電阻阻值。圖9測電阻伏安特性電路圖（二）測繪晶體二極

13、管的伏安特性曲線測量之前，先記錄所用晶體管的型號和主要參數（即最大正向電流和最大反向電壓），再 判別晶體管的正、負極。1. 為了測得晶體二極管的正向特性曲線，可按照圖10所示的電路連線。圖中R為保護 晶體二極管的保護電阻，電壓表的量限取2伏左右。經教師檢查線路后，接通電源，緩幔地增 加電壓，例如，取0.00VAIOV.0.20V-（在電流變化大的地方，電壓間隔應取小一些），讀出 相應的電流值。最后斷開電源。圖10測晶體二極管正向伏安特性的電路圖圖11測晶體二極管反向伏安特性的電路圖2. 為了測得反向特性曲線，可按圖11連接電路。將電流表換到200“ A檔，電壓表換到 20V或200V的量限，接

14、上電源，逐步改變電壓，例如，取0.00V, 1.00V, 2.00V,，讀出 相應的電流值。確認數據無錯誤和遺漏后，斷開電源，拆除線路。3. 以電圧為橫軸，電流為縱軸，利用測得的正.反向電壓和電流的數據，繪岀晶體二極 管的伏安特性曲線。【數據記錄及處理】1.測繪電阻的伏安曲線（直線），并利用斜率求阻值R。U(V)0. 000. 501.001. 502. 002. 503. 003. 504.004. 505. 00KmA)利用直線的斜率計算電阻阻值2.測繪二極管的正向伏安特性曲線U(V)KmA)3.測繪二極管的反向伏安特性曲線U(V)K/A)把表2、表3中的數據作在一張圖上，即為二極管的伏安

15、特性曲線。【注意事項】1. 測半導體二極管的正向伏安特性時，亳安表讀數不得超過二極管允許通過的最大正向 電流值。2. 測半導體二極管反向伏安特性時，加在半導體管上的電壓不得超過管子允許的最大反 向電壓。此實驗選用的半導體二極管IN4007的最大反向電壓比較高，所以半導體二極管所加 反向電壓比較低時反向電流讀數接近零。實驗時，如果違反上述任一條規建，都將會損壞半導體二極管。3. 做50Q伏安特性實驗時，電阻兩端的電壓不要超過8V,晶體管兩端的電壓最大為20V 左右，以免燒壞電阻和晶體管。4. 電源不能短路。5. 數字電流表為四擋測量量程，各量程的內阻不同，在做實驗時選好量程，盡量不要換量 程，各擋的內阻詳見其使用說明書。【思考題】1. 在圖八中，開關打向“1”或“2”有何不同？為什么要采用這樣的接法？2. 如何作岀伏歐特性曲線（V-R曲線）？金屬膜電阻和半導體二極管的伏歐特性曲線各 具有什么特點？3. 測二極管正向特性，反向特性曲線時，為什么一個用外接，一個用內接？以下是本小組的實驗數據：數據記錄與處理正向特性曲線數據如下表：電壓U(V)00. 10250. 16250. 16500. 20