大学物理实验——伏安特性的测定.

二极管 正反向 伏安特性
电流表量程5mA
反向测量选择
正向测量选择
电压表量程3V
电压表量程0.75V
二极管伏安特性测量
电压表量程、电流表内外接、电流、电压修正
二极管正向电阻比较小，电流表外接， 其中电压值测量相对准确，而电流值 测量不准确，电流需要修正：
I 修正
U I RV
二极管反向电阻比较大，电流表内接， 其中电流值测量相对准确，而电压值 测量不准确，电压需要修正：
U修正 U I RI
二极管 正向伏安特性
电压表选择 0.75V 量程
电流表量程5mA
二极管 反向伏安特性
电压表选择 3V 量程
电流表量程5mA
应以变化快的量为自变量选取测量点
应用戴维南定理必须注意
(1)戴维南定理只对外电路等效，对内电路不等效。也就是 说，不可应用该定理求出等效电源电动势和内阻之后，又 返回来求原电路(即有源二端网络内部电路)的电流和功率。 (2)应用戴维南定理进行分析和计算时，如果待求支路后的 有源二端网络仍为复杂电路，可再次运用戴维南定理，直 至成为简单电路。 (3)戴维南定理只适用于线性的有源二端网络。如果有源二 端网络中含有非线性元件时，则不能应用戴维南定理求解
乔治· 西蒙· 欧姆
(Georg Simon Ohm,1787～1854年)
他是德国物理学家。生于巴伐利亚埃尔兰根城。欧姆的 父亲是一个技术熟练的锁匠，对哲学和数学都十分爱好。 欧姆从小就在父亲的教育下学习数学并受到有关机械技 能的训练，这对他后来进行研究工作特别是自制仪器有 很大的帮助。欧姆的研究，主要是在1817～1827年担 任 中学物理教师 期间进行的。
表外接两种接法。不管那种接法，由于电压表、电流表都 有一定的内阻(分别设为 RV 和RI )存在, 致使电压和电流的 测量欠准确，造成系统误差，所测电阻值需要修正。
1. 考虑电流表和电压表的内电阻 2. 电流表选择内、外接的原则 3. 考虑电流表和电压表的量程选择
电流表内接或外接 (已定系统误差的修正)
当待测电阻R很大时，
Baidu Nhomakorabea
I
电流表宜内接
电流表内接 U I RL I RV
当待测电阻 R 较小时，
I U
电流表宜外接
电流表外接 U R L U I RI
电流表内接条件： R RI 电流表外接条件： RV R
简化模式
U R I
U 2 I 2 R ( ) ( ) R U I
微分电阻 (非线性电阻)
有电阻 R<0 的情况吗？
U R 0 I
1) 压敏电阻(防雷电)， 消磁电阻(电视机), 气敏电阻(烟雾探测)，热敏电阻、光敏电阻。 2) 二极管、太阳能电池、ZnO陶瓷材料、 线性电阻与运算放大器构成非线性电阻。
非线性电阻伏安特性曲线上某点切线的斜率，称为此电阻在该点 的动态电阻。而非线性电阻的动态电阻与直流电阻是不同的，非 线性电阻的动态电阻是变量，是状态函数。
如何测量二极管正反向伏安特性？ 如何验证戴维南定理？
我要纠错？
pangwn@tsinghua.edu.cn
实验中 勤思考
切勿产生浮躁的情绪
藏族人都非常喜欢格桑 花，他们说格桑花是神 圣的。这是怎么样的一 种坚强的花啊? 她可以 随时适应天气的变化， 顽强地生长存活。等到 花开的季节，走进藏北 草原，遍地都是盛开的 格桑花，轻轻地坐下来， 看着只属于高原的清澈 天空，听着淳朴的牧民 嘹亮的歌声，静静地凝 视格桑花，可以听得见 她们在说话。。。
背 景 知 识 回 顾 ︖
在同一电路中，导体中的电流跟导体两 端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成 反比，这就是欧姆定律，基本公式是 I=U/R。欧姆定律由乔治· 西蒙· 欧姆提 出，为了纪念他对电磁学的贡献，物理 学界将电阻的单位命名为欧姆，以符号
Ω 表示。
Ω
戴维南定理 (Thevenin theorem)
外特性等效
伏安特性
电学中常用的一种基本测量方法
电压 U、电流 I、电阻 R
电路中有各种电学元件，如线性电阻、半导体二极管和
三极管，以及光敏、热敏和压敏元件等。人们常需要了解 这些元件的伏安特性，对正确地使用它们是至关重要的。
伏 安 法 实 验 ︖
利用滑线变阻器的分压接法，通过电压和电流表正确
地测出它们的电压与电流的变化关系 称为伏安特性测量 （简称：伏安法）。
线性电阻（常数值）
U R 0 I
电阻是常数，其值与按欧姆 定律定义的直流电阻相等。
有 非 线 性 电 阻 吗 ︖
伏安特性
研究通过电学元件的电流 随外加电压的变化关系
非线性电阻（动态值）
若电阻元件的伏安特性曲线呈直线，称为线性电阻；若
呈曲线，称为非线性电阻。 非线性伏安特性所反映出来的规律总是与一定的物理过
1918年 A.W.Hull发明第一个负阻器件(打拿负阻管
Dynatron)算起，到今天为止，负阻效应(Dynatron Effect)在元器件和负阻电路中的研发已经跨越了90多年。
微波电路、功率模块、阻抗变换器等
例如：可控硅在导通的瞬间两端的电压是急剧下降的，而电流
是急剧上升的，与普通的电阻正好相反，所以叫做“负阻”。 例如：ZnO陶瓷材料也具有负阻特性。
负阻器件的伏安特性
正阻抗特性
呈现电阻的性质: 随着电压的增大，电流增大。
U 电压变化 R 0 I 电流变化
负阻抗特性
呈现负电阻的性质: 随着电压的增大，电流减小。
U 电压变化 R 0 I 电流变化
微分电阻可正可负的器件主要优点是：可用较少数量的器件完成相当的功能。
负阻器件的研发历史及应用
RBC RL 研究分压器 U E R RL RBC ( R RBC ) 电路特性
注意使用分压器调整电源的输出电压
两种线路对比研究( 12KΩ )
电压表满 量程
其中一块表要达到满量程。
两种线路对比研究(100Ω )
其中一块表要达到满量程。
二极管伏安特性测量
注意：电压表量程、电流表内外接的选择
验证测试示意图
戴维南定理的验证
改变负载电阻R (合理选择，使测点在 U-I 图中合理分布)， 测量电压U和电流 I。用修正后的数据拟合求 Ee、Re。
R 电压 电流 修正 电压 电流
100 300 500 800 1K 2K 5K MAX
(99999.9)
取负载电阻 R=200Ω 、1kΩ 的 U、I值，修正后计算 Ee、Re。 连接等效电源 Ee、Re，测量U、I 验证。
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物理实验教程 85-90页，丁慎训、张连芳 主编
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物理实验应以掌握实验技能、 研究实验现象为目的，而不 能只是当成记录数据的机械 式任务。
认 真 预 习
实验背景知识回顾
物理实验教程 85-90页，丁慎训、张连芳 主编
大胆动手 提高实验操作能力！
提高独立自主实验能力！
戴维南 (Thevenin、法国)，1883年提出：可将任一复
杂的集总参数含源线性时不变二端网络等效为一个简单的 二端网络(戴维南定理 )。
背 景 知 识 回 顾 ︖
定义：任何一个线性含源二端网络，对外部电路而言，总可以用
一个理想 电压源和电阻 相串联的有源支路来代替，如图所示。理想 电压源的电压等于原网络端口的开路电压Uoc，其电阻等于原网络中 所有独立电源为零时输入端等效电阻Ro。
程相联系的。利用非线性元件的特性可以研制各种新型的传
感器、换能器，在温度、压力、光强等物理量的检测和自动 控制方面都有广泛的应用。
对非线性电阻特性及规律的研究，有助于加深对有关物
理过程、物理规律及其应用的理解和认识。
各种非线性元件（照明电珠，整流二极管，稳压二极管，发光二极管， 光敏二极管，热敏电阻，硅光电池，低压氖泡等）。
电磁学实验基本仪器
物理实验教程81-83页，丁慎训、张连芳 主编
伏安特性测量实验仪器
熟悉指针式电表的结构、规格、误差
物理实验教程81-83页，丁慎训、张连芳 主编
磁电式(直流)电表内部结构图
电磁式(交直流)电表内部结构图
交流电流表与电压表的区别是，电流表的线圈导线粗，圈数少， 电压表的线圈导线细，圈数多，有的还有附加电阻。
电动式(交直流)电表内部结构图
电阻箱
由较准确的电阻元件组成，拧动旋钮可以调节电阻值。
六位十进式电阻箱的调节范围为 0-99999.9, 准确度等级为 0.1
如果用0和0.9的两个接线端，则阻值范围为0-0.9 如果用0和9.9的两个接线端，则阻值范围为0-9.9
实验中的关键技术(概念)
在测量电学元件的伏安特性线路中有电流表内接和电流
若不符合上述条件须用严格公式3.1.4a(内接)， 3.1.4b(外接)
U 2 I 2 RI 2 RI 2 RI 内 R ( ) ( ) ( ) ( ) /[1 ] 接 R U I RI U/I U/I
外 R ( U ) 2 ( I ) 2 ( RV ) 2 (U / I ) 2 /[1 U / I ] 接 R U I RV RV RV
例如：线性电阻与运算放大器构成非线性电阻。
实验内容、基本要求
物理实验教程81-83页，丁慎训、张连芳 主编
实验目的
掌握电学元件伏安特性测量的基本方法 学会分析伏安法测量的电表接入误差, 正确选择测量电路。 掌握正确使用电学测量仪器
实验内容
分压电路的调节特性
两种线路对比，测量两个电阻（100Ω 、 12KΩ ) 二极管的正反向伏安特性曲线测量(预画线路图、修正作图) 戴维南定理的实验验证（测未知网络伏安特性）