线性与非线性元件伏安特性的测定

1．线性与非线性元件伏安特性的测定

一．实验目的

1．学习直读式仪表和直流稳压电源等仪器的使用方法

2．掌握线性电阻元件、非线性电阻元件的伏安特性的测试技能

3．加深对线性电阻元件、非线性电阻元件伏安特性的理解．验证欧姆定律

二．实验原理

电阻元件是一种对电流呈现阻力的元件，有阻碍电流流动的性能。当电流通过电阻元件时，电阻元件将电能转换成其它形式的能量．并沿着电流流动的方向产生电压降。电压降的大小等于电流的大小与电阻的乘积。电压降和电流及电阻的这一关系称为欧姆定律。

U=IR

上式的前提条件是电压U和电流I的参考方向相关联．亦即参考方向一致。如果参考方向相反．则欧姆定律的形式应为

U＝-IR

电阻上的电压和流过它的电流是同时并存的．也就是说，任何时刻电阻两端的电压降只由该时刻流过电阻的电流所确定，与该时刻前的电流的大小无关，因此，电阻元件又被称为“无记忆”元件。

当电阻元件R的值不随电压或电流大小的变化而改变时，则电阻R两端的电压与流过它的电流成正比例。我们把符合这种条件的元件称为线性电阻元件。反之．不符合上述条件的电阻元件被叫做非线性电阻元件。

电阻元件的特性除了用电压和电流的方程式表示外，还可以用其电流和电压的关系图形来表示，该图形称为此元件的伏安特性曲线。线性电阻的伏安特性曲线为一条通过坐标原点的直线，该直线的斜率即为电阻值，它是一个常数。如图1-1所示。

半导体二极管是一种非线性电阻元件。它的电阻值随着流过它的电流的大小而变化。半

导体二极管的电路符号用表示．其伏安特性如图1-2所示。由此可见半导体二极管的伏安特性为非对称曲线。

图1-1线性电阻的伏安特性图l-2半导体二极管伏安特性

对比图1-l和图1-2可以发现，线性电阻的伏安特性对称于坐标原点。这种性质称为双向性，为所有线性电阻元件所具备。半导体二极管的伏安特性不但是非线性的．而且对于坐标原点来说是非对称性的，又称非双向性。这种性质为多数非线性电阻元件所具备。半导体二极管的电阻随着其端电压的大小和极性的不同而不同，当外加电压的极性和二极管的极性相同时，其电阻值很小，反之二极管的电阻很大。半导体二极管的这一性能称为单向导电性，利用单向导电性可以把交流电变换成为直流电。

三．实验内容和步骤

1．测定线性电阻的伏安特性

本实验在九孔实验方板上进行。分立元件R=200Ω和R=2000Ω电阻作为被测元件．井按图1-3接好线路。经检查无误后．打开直流稳压电源开关。依次调节直流稳压电源的输出电压为表1-1l中所列数值。并将相对应的电流值记录在表1-l中。

图1-3 测量电阻的伏安特性电路图

2 测量半导体二极管

(1) 正向特性

图1-4(a) 测量半导体二极管正向伏安特性电路图

按图1-4(a)接好线路。经检查无误后，开启稳压电源．输山电压调至2v。调节电位器R，使电压表读数分别为表1-2中数值，井将相对应的电流表读数记于表1-2中，为了便于作图，在曲线弯曲部分可适当多取几个测量点。

(2)反向特性

图1-4(b) 测量半导体二极管反向伏安特性电路图

按图1-4(b)接好线路。经检查无误后，开启稳压电源．输山电压调至20v。调节可变电阻器使电压的读数分别为表1-3中所列数值，井将相对应的电流表读数记入表1-3中。

表1-3 测定二极管的反向伏安特性

3．测定小灯泡灯丝的伏安特性

图1-5 测最小灯泡灯丝伏安特性电路图

本实验采用低压小灯泡做为测试对象。

接图1-5接好线路．经检查无误后．打开直流稳压电源开关。依次调节电源输山电压为表2—4所列数值。井将相对应的电流值记录在表1－4中。

表1-4 测定小灯泡灯丝的伏安特性

四．实验设备

名称数量型号

1．直流可调电压0－30V板 1 MC1046

2 电阻

3 10Ω×1，200Ω×1，2kΩ×1

3 电位器 1 1kΩ×1

4 二极管 1

5 灯座和灯泡 1 12V/0,1A×1

6 标准型导线若干

7 标准型短接桥若干

8 九孔实验方板1块200mm×300mm

9 交直流电压电流表2块MC1102，MC1108

五．分析与讨论

1．按报告单上所列项日认真填写实验报告。

2．根据实验中所得数据，在坐标纸上绘制两个线性电阻、半导体二极管、小灯泡灯丝的伏安特性曲线。

3．分析实验结果，并得出相应结论。

4．回答下列思考题：

（1）试说明图1-4(a)、(b)中电压表和电流表接法的区别，为什么?

（2）通过比较线性电阻与灯丝的伏安特性曲线分析这两种元什性质的异同。

（3）什么叫双向元件?白炽灯灯丝是双向元件吗?

2．基尔霍夫定律的验证

一实验目的

1．通过实验验证基尔霍夫电流定律和电压定律，巩固所学理论知识

2．加深对参考方向概念的理解

二实验原理

基尔霍夫定律是电路理论中最基本也是最重要的定律之一。它概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律。它包括基尔霍夫节点电流定律(KCL)和基尔霍夫回路电压定律(KVL)。

基尔霍夫节点电流定律：电路中任意时刻流进(或流出)任一节点的电流的代数和等于零。其数学表达式为：

∑I=0。

此定律阐述了电路任一节点上各支路电流间的约束关系，这种关系与各支路上元件的性质无关，不论元什是线性的或是非线性的，含源的或是无源的，时变的或时不变的。

基尔霍夫回路电压定律；电路中任意时刻．沿任一闭合回路，电压的代数和为零。其数学表达式为

∑U=0。

此定阐明了任一闭合回路中各电压间的约束关系。这种关系仅与电路的结构有关．而与构成回路的各元件的性质无关。不论这些元件是线性的或非线性的，含源的或无源的，时变的或时不变的。

参考方向：

KCL和KVI表达式中的电流和电压都是代数量。它们除具有大小之外，还有其方向，其方向是以它量值的正、负表示的。为研究问题方便，人们通常在电路中假定一个方向为参考．称为参考方向。当电路中的电流(或电压)的实际方向与参考方向相同时取正值，其实际方向与参考方向相反时取负值。

例如，测量某节点各支路电流时，可以设流入该节点的电流方向为参考方向(反之亦可)。将电流表负极接到该节点上，而将电流表的正极分别串入各条支路，当电流为正值，表示电流方向与参考方向相同；当电流为负值，表示电流方向与参考方向相反。

测量某闭合电路各电压时，也应假定某一绕行方向为参考方向。按绕行方向测量各电压时，若电压为正值，表示电压方向与参考方向相同；当电压为负值，表示电压方向与参考方向相反。

三实验内容和步骤

1．验证基尔霍夫电流定律(KCL)。

本实验在九孔实验方板上进行．按图2-1接好线路，图中x1、x2、x3，X4、x5、x6为节点B的三条支路电流测量接口(三条支路自己定义)。在实验过程中．先将此六个节点用短接桥连接，在测量某个支路电流时，将电流表接在该支路接口上，然后拔掉此支路接口上的短接桥即可测量此处的电流。验证KCL定律时，可假定流入该节点的电流为正(反之也可)，