23电学元件伏安特性的测量Word文档格式.docx

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2-3-1直流稳压电源图2-3-2滑线变阻器

2.变阻器

滑线变阻器采用了经过氧化绝缘处理的康铜线，密绕于瓷管组成的电阻元件，装上金属保护支架，滑键等，如图2-3-2所示。

通过移动的滑键的导电接触刷，在康铜丝表面移动，达到改变阻值的大小。

在使用变阻器不宜超过额定电流。

变阻器易发热的元件，安装时不宜靠近不能受热的物体。

变阻器使用中若发生接触不良时，可在电刷接触面移动的康铜丝表面上，除去氧化绝缘层，即可消除其现象。

3.电阻箱

图2-3-3旋钥式电阻箱

电阻箱供直流电路中作可调电阻用。

它是电阻值可变的电阻量具，其电阻值可在已知范围内按一定的阶梯改变。

实验室常用旋钥式电阻箱如图2-3-3所示，它是由电阻箱六个密封转换开关和相应得精密电阻组成，能变换成

，最小步进值为

的任何电阻值。

旋钥式电阻箱的原理如图2-3-4所示。

图2-3-4旋钥式电阻箱原理图

电阻箱的主要参数有总电阻、额定功率、准确度等级。

其中准确度等级有七级：

0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0等级。

电阻箱的基本误差：

绝对误差：

每个电阻箱的相对误差由下面公式来计算：

相对误差：

（2-3-1）

式中：

为标称误差（准度等级），即电阻箱的准度等级，是电阻箱的相对误差。

在电阻箱的标牌上可读出

称为接触电阻所引的误差；

为常熟0.2；

为所用电阻箱的旋钮数；

为电阻箱在使用时的指示值标称误差和接触误差之和。

4.电表

（一）、电表的工作原理

1．检流计

常用来检测电路中有无电流通过。

接线一般不考虑极性。

实验中用作电桥或电位差计的指零。

图2-3-5

检流计电路框图如图2-3-5所示，直流电流经电流取样后，电流量转换成电压量，经低通滤波和放大后，加到指针式表头，偏移显示所测电流的大小和极性。

2．电压表

电压表有毫伏表和伏特表。

接线时要注意极性、量程

、内阻

。

2-3-6电压表图2-3-7电流表

3．电流表

电流表有安培表、毫安表、微安表，接表时注意看量程

、接线极性，如图2-3-7所示。

（二）、电表的使用：

1．正确放置和零点调整。

2．量程选择：

根据待测量选择合适量程，尽量使指针偏转到满刻度的2/3为宜。

3．正确读数：

视线垂直于表盘并在指针正上方读数。

4．电表的误差

通用电表分为七个准确度等级：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0

（2-3-2）

（三）、应用举例：

例题：

用量程为

的电表测量某一支路电流，电表指针示数为2.26A，若电表的准确度等级为0.5，读数结果应怎样表示？

读数结果表示为：

（2-3-3）

【实验原理】

1.

安培表内接法及误差分析

如图6-1-1所示为安培表内接法测量电阻的电路。

我们需要测量的是通过待测电阻的电流Ix和待测电阻两端的电压Ux。

安培表测出的虽然是Ix，而伏特表测出的却是Ux和安培表两端电压UA之和U，可见，安培表的内阻不为零，使电压的测量产生了误差。

测量值

（2-3-4）

实际值

（2-3-5）

相对误差

（2-3-6）

可见，采用“内接法”时，待测电阻值R越高，

测量越准确，故“内接法”电路适宜测量高值电阻。

2．安培表外接法及误差分析

K

图2-3-9安培表外接法测电阻

如图2-3-9所示为安培表外接法测量电阻的电路。

这时，伏特表测出的虽是待测电阻两端的电压Ux,但安培表测出的却是通过待测电阻的电流Ix和通过伏特表的电流Iv之和。

伏特表的内阻并不是无穷大，要使电流的测量产生误差。

又：

因此，

（2-3-7）

…………………………（2-3-8）

可见，待测电阻值R比伏特表内阻值小得多时，采用“外接法”测定越准确，故外接法电路适宜测量低值电阻。

3．滑线变阻器的连接、分压电路的分析

当待测电阻RL不是比变阻器R大很多时，分压电路输出电压就不再与滑动端的位移成正比了。

实验研究和理论计算都表明，分压与滑动端位置之间的关系。

RL/R越小，曲线越弯曲，这就是说当滑动端从B端开始移动，在很大一段范围内分压增加很小，接近A端时,分压急剧增大，这样调节起来不太方便。

因此作为分压电路的变阻器通常要根据外接负载的大小来选用。

必要时，还要同时考虑电压表内阻对分压的影响。

4.实验线路的比较与选择

选择本实验用的电表和待测电阻参数时，使两种电路的系统误差有明显的区别，由（2-3-6）（2-3-8）式系统误差公式可推出：

对于小的待测电阻Rx0应力求满足接近n倍RA和远小于RV，（Rv/RX>

RX/RA）并采用安培表外接法。

如：

Rx=2RA，图2-3-8电路的相对误差可达到50%；

Rx=RV/50，图2-3-9电路的相对误差约为2%。

对于大的待测电阻Rx应力求接近RV和远大于RA，[Rv/RX<

RX/RA]并采用安培表内接法。

Rx=RV，图2-3-9电路的相对误差可达到50%；

Rx=100RA，图2-3-8电路的相对误差约为1%。

若两种电路误差相等时：

由（2-3-6）（2-3-8）式

于是R2—RAR—RARV=0

解得R=

因为待测电阻只能取正值，故有

（2-3-9）

在两表确定的情况下，选择待测电阻值应偏离（2-3-9）式所表示的电阻值。

在测量电阻R的伏安特性的线路中，常有两种接法都有一定的系统性误差。

为了减少上述系统性误差，测量电阻的线路方案可以粗略地按下列办法来选择：

（1）当Rx<

<

RV，且R较RA大得不多时，宜选用电流表外接。

（2）当Rx>

>

RA，且RV和R相差不多时，宜选用电流表内接。

（3）当Rx>

RA，且Rx<

RV时，则必须先用电流表内接法和外接法测量，然后再比较电流表的读数变化大还是电压表的读数变化大？

根据比较结果再选择电流表采用内接还是外接，具体方法如下：

选择测量线路如图2-3-10所示。

将K2置于位置1并合上K1，调节分压输出滑动端C，使电压表（可设置电压值U1=5.00V）和电流表有一合适的指示值，记下这时的电压值U1和电流值I1，然后将K2置于位置2，调节分压输出滑动端C，使电压表值不变，记下U2和I2。

将U1、I1与U2、I2进行比较，若电流表示值有显著变化（增大），R便为高阻（相对电流表内阻而言），则采用电流表内接法。

若电压表有显著变化（减小），R即为低阻（相对电压表内阻而言），则采用电流表外接法。

按照系统误差较小的连接方式接通电路（即确定电流表内接还是外接）。

但若无论电流表内接还是外接，电流表示值和电压表示值均没有显著变化，则采用任何一种连接方式均可（为什么会产生这样的现象？

）。

【实验内容及步骤】

（1）实验前完成方案设计中需求解决的各个问题，并将答案记录在数据记录表格上；

（2）实验开始时，将预习本交指导老师审阅，并取得教师指导。

根据预习报告完成情况的优劣，教师确定实验者是否已经具备实验的基本知识，是否能给予实验动手操作的机会；

（3）按照已经设计好的实验线路图接线。

注意应先在桌面上布置好实验仪器，然后再将线路分成几个回路，逐一连接。

接线时确保所有开关都处于打开（断路）状态。

接线完成后，务必请指导老师检查线路，方可接通电源进行下一步操作；

（4）调节滑线变阻器，使电流表读数为确定值（具体数值有实验室提供）；

（5）读取并记录电压表的读数，注意有效数字的位数。

换另一电阻，重复步骤（3）～（5）。

【数据记录及处理】

（1）根据测量数据，分别计算两个待测电阻值:

表2-3-1测量数据

输入电压U/v

电流I/mA

电压表U/v

电压表量程

R测/Ω

R真/Ω

小

电

阻

3.0

2.5

2.0

1.5

大

7.5

7.0

6.5

6.0

（2）根据自己推导得到的修正公式，对待测量得到的电阻阻值进行修正，算得电阻阻值的修正值，比较修正前后两个电阻阻值，看哪个阻值更接近用欧姆表测量的结果；

（3）撰写符合要求的实验报告，报告中必须要有实验结果和对本实验的分析或体会（字数不少于500字）。

【注意事项】

1.连接电路的过程中，电键要断开。

2.电流表、电压表的使用。

（串并联、正负接线柱、量程、读数）

3.连接好电路，滑动变阻器滑片在最大阻值处。

（保护电路的作用）

4.电路连接顺序（滑动变阻器最大值）

【思考题】

如果在测量某个电阻时，错误地使用了电流表的接法（内接错接成外接或者相反），将对实验结果带来怎样的影响？

如有时间，用实验结果来回答这个问题。

2.3.2二极管伏安特性的测量

通过对二极管伏安特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特点，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。

【预习题】

1.简述二极管的正向、反向特点。

2.测量二极管的伏安特性时，测正向和反向伏安特性时采用的电路是否有区别？

【伏安特性描述】

对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过（多数载流子导电），随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时（锗管为0.2V左右，硅管为0.7V左右），电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。

对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。

所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。

二极管伏安特性示意图2-3-11，2-3-12

图2-3-11锗二极管伏安特性图2-3-12硅二极管伏安特性

【实验电路】

图2-3-13二极管反向特性测试电路

1、反向特性测试电路

二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。

测试电路如图2-3-13，电阻选择510Ω

2、正向特性测试电路

二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。

电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置510Ω，调节电源电压，以得到所需电流值。

图2-3-14二极管正向特性测试电路

【数据记录】

表2-3-2反向伏安曲线测试数据表

U（V）

I（

）

电阻计算值（

表2-3-3正向伏安曲线测试数据表

正向伏安曲线测试数据I（

）

电阻直算值（

1、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么？

2、在制定表2-3-3时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表2-3-3中加一项“电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。

注意：

实验时二极管正向电流不得超过20mA。