1实验一电阻元件V-A特性测量解析.ppt

实验二实验二 电阻元件V-A特性测量v 电阻、二极管、稳压管、灯泡等是常用的电子元件，其伏安特性是很重要的电学参数。利用欧姆定律测导体电阻的方法称伏安法。v 为了研究材料的导电性，通常做出伏安特性曲线，了解它的电压和电流的关系，伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，伏安特性曲线不是直线的元件称为非线性元件。这两种元件电阻特性都可用伏安法测量。实验目的：v1、掌握电阻元件伏安特性测定方法。v2、了解晶体二极管的正向导电特性。实验仪器实验仪器 HLD-DZC-II型电阻元件型电阻元件V-A测量测量实验仪实验仪 ZX21型可变电阻箱型可变电阻箱实验原理：v（一）电阻元件V-A特性 v在一定温度下，当直流电流通过某一待测电阻Rx时，用电压表测出Rx两端的电压U，同时用电流表测出通过Rx的电流I，根据欧姆定律计算：v 或 v这种测量电阻的方法即伏安法。若U/I为常量，则该电阻称为线性电阻；若U/I不为常量，则称该电阻为非线性电阻（非线性元件），如二极管等。v在实际测量中，由于电流表和电压表各存在内阻RA和RV，所以用式计算出的R测和真实值Rx不一致，而且选用不同的测量电路，其系统误差也不相同。以下是两种测量电路的分析。v用伏安法测量电阻，可采用图1中的两种接线方法。图1 伏安法测量电阻线路图v在图1-(a)中，电流表的读数I为通过R的电流，电压表的读数U不是UX,而是U=UX+UA v则待测电阻的测量值为vRA为电流表的内阻，RA/RX是电流表内阻给测量带来的相对误差。可见，采用图1-(a)的接法时，测得的R比实际值偏大，如果知道内阻的数值，则待测电阻可用下式计算。v在图1-(b)中，电压表的读数为UX，电流表的读数为I=IV+IX。则待测电阻的测量值为v v将 用二項式定理展开，舍去高次項，可写为v v式中的RV为电压表的内阻，RX/RV 是电压表内阻给测量带来的相对误差。可见，采用图1-(b)的接法时，测得的电阻值R比实际RX偏小，如果知道RV的数值，则待测电阻RX可由下式求得。v概括起来说，用伏安法测电阻时，由于线路方面的原因，测得的电阻值总是偏大或是偏小，即存在一定的系统误差。v要确定究竟采用哪一种接法，必须事先对 RX、RA、RV 三者的相对电阻粗略地估计。v当 RXRA,而RV未必 RX大时，采用图1-(a)接法。v当RX RV，RX又不过分大于RA时，可采用图1-(b)的接法。v对于即满足RX RA，又满足RX RV关系的电阻，两种接法都可以。（二）二极管V-A特性v晶体二极管又叫半导体二极管，半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。如果在纯净半导体中掺入微量其他元素，其导电性能会有成千上万倍的增长。半导体可分为两种类型，一种是杂质掺入到半导体中会产生许多带负电的电子，这种半导体叫N型半导体；另一种是杂质加到半导体中会产生许多缺少电子的空穴，这种半导体叫P型半导体。为了弄清在纯净半导体中掺入杂质，其导电性能大大提高的原因，我们来看一下半导体的结构。v纯净半导体材料（如硅、锗），其原子结构的共同特点是最外层的价电子数为4个。当将硅、锗半导体材料制成单晶体后，原子的排列由杂乱无序的状态变成非常整齐的状态，原子间的距离是相等的，约为2.510-4m。每个原子最外层的电子不仅受自身原子核的束缚，而且还与周围的4个原子发生联系，形成共价键结构。在热激发状态下，少数共有电子脱离原子核的束缚成为自由电子，在共价键位置上留下一个空穴，附近的共有电子很容易移动过来填补空穴位置，从现象和效果上看，就像一个带正电的空穴在移动。因此在纯净半导体中，不仅有电子载流子，还有空穴载流子。在单晶半导体中这种载流子数量很少，导电能力较差。如果我们在硅单晶中掺入三价硼元素，由硼原子和周围的8个硅原子形成共价键结构，就多出一个空穴，得到P型半导体。在硅单晶中掺杂五价磷元素，磷原子最外层5个电子中有4个电子与周围的8个硅原子的外层电子组成共价键结构，多出的一个电子成为自由电子，形成N型半导体。可见，半导体中掺入杂质后其载流子数量大大增加，导电能力也就大大提高了。v晶体二极管是由两种不同导电性能的P型和N型半导体结合形成PN结所构成的，正极由P型半导体引出，负极由N型半导体引出，其结构和表示方法如图2所示。v由于P区中空穴浓度大，空穴由P区向N区扩散；而N区中自由电子浓度大，自由电子就由N区向P区扩散。在P区和N区交界面上形成一个带正负电荷的薄层，称为PN结。这个薄层内正负电荷形成一个内电场，其方向恰好与载流子扩散方向相反。当扩散作用和内电场作用平衡时，P区中空穴和N区中自由电子不再减少，带电薄层不再增加，达到动态平衡，我们称带电薄层为耗尽层，厚度约为几十微米。v当PN结加正向电压时（P接电源正，N接电源负），外电场与内电场方向相反，耗尽层变薄，载流子可顺利通过PN结，形成较大电流，故PN结正向导电时，电阻很小，如图3所示。当PN结加反向电压时，外电场与内电场方向相同，耗尽层变厚，载流子很难通过耗尽层，反向电流较小，反向电阻很大，二极管反向电压在一定范围内电流不变化。v晶体二极管的正反向伏安特曲线，电流、电压具有非线性关系，各点电阻均不相同，具有这种性质的电阻称为非线性电阻。（测量电路中为整流二极管）实验内容和步骤：v实验前准备：熟悉仪器面板操作，仪器预热10分钟，做实验按实验步骤操作切勿接错，以免损坏元件。标准电阻箱总电阻切记不能调到0，以免接入电路时造成误接短路！v内容一:电阻测量：本实验分别选择标准电阻箱电阻为4500和150两种情况进行测量。v（1）待测电阻为4500时，因此时R X RA，故可用前面图1中a图的电流表内接法测量：v测量数据及处理分析：v电流表用20mA档，电压表用20V档测量次数n12345678910U(v)I(mA)R=U/I测量结果：RX=。v（2）待测电阻为150时，因此时VR XR，故可用前面图1中b图的电流表外接法测量：v用电流为200mA档，电压20V档次数n12345678910U(v)I(mA)R=U/I测量结果：RX=。v内容二:二极管的测量：本实验选择硅管1N007。（测量时一定要加限流电阻）v接线如下图4所示（二极管分别按正向或反向连接）。v实验测量数据及处理分析。v电流表为2mA或200A档，电压表选择2V档测量直流稳压电源输出须调节细调电位器。次数n1 2345678910U(v)I(mA)测量结果：根据上表画出二极管的V-A特性图。注意事项:v（1）为保护直流稳压电源和待测元件，测量前必须将电压输出调为零、标准电阻箱阻值放在最大值，然后按实验步骤进行测量，电压调节要慢慢微调。v（2）测量二极管伏安特性曲线或灯泡伏安特性时，为了防止二极管烧坏，一定要串一个限流电阻。v（3）外接测量元件要根据选择合适的器件。v（4）被测元件被学生不小心烧坏，可以用自备元件，测量孔代替。v（5）测量时要选择正确的档位，正在测量中不要随便改变档位。