電阻元件V-A特性測量試驗儀

電阻是電學中常用的物理量，利用歐姆定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，通常作出其伏安特性曲線，了解它的電壓與電流的關係。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非線性元件，這兩種元件的電阻都可以用伏安法測量，但由於測量時電表被引入測量電路，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，以減小係統誤差。

一、實驗目的

1．學習常用電磁學儀器儀表的正確使用及簡單電路的連接方法；
2．掌握用伏安法測量電阻及其誤差分析的基本方法；
3．學習測量線性電阻和非線性電阻的伏安特性；
4．學習用作圖法處理實驗數據，並對所得伏安特性曲線進行分析。

二、實驗設備

電阻元件伏安特性測量實驗儀集成了0~20V可調直流穩壓電源；直流數字電壓表，量程為2V/20V可調，內阻為1MW；直流數字毫安表，量程為200mA /2Ma/20mA/200mA可調，其相對應內阻分別為1KW、100W、10W、1W；待測240W/2W金屬膜電阻、待測穩壓管（5.6V）、待測小燈炮（12V/0.1A）等。

三、實驗原理

在溫度一定的情況下，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。若元件兩端的電壓與通過它的電流不成正比例，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。一般金屬導體電阻是線性電阻，它與外加電壓的大小和方向無關，其伏安特性曲線是一條直線。
電阻是導體材料的重要特性，在電學實驗中經常要對電阻進行測量。測量電阻的方法有多種，伏安法是常用的基本方法之一。所謂伏安法，就是運用歐姆定律，測出電阻兩端的電壓V和其上通過的電流I，根據
                                (1)
即可求得阻值R。也可運用作圖法，做出伏安特性曲線，從曲線上求得電阻的阻值。對有些電阻，其伏安特性曲線為直線，稱為線性電阻，如常用的碳膜電阻、線繞電阻、金屬膜電阻等。另外，有些元件，伏安特性曲線為曲線，稱為非線性電阻元件，如燈泡、晶體二極管、穩壓管、熱敏電阻等。非線性電阻元件的阻值是不確定的，隻有通過作圖法才能反映它的特性。
用伏安法測電阻，原理簡單，測量方便，但由於電表內阻接入的影響，給測量帶來一定係統誤差。
在電流表內接法中，如圖（1）所示。由於電壓表測出的電壓值V包括了電流表兩端的電壓，因此，測量值要大於被測電阻的實際值。由
             (2)
可見，由於電流表內阻不可忽略，故給測量帶來一定的誤差。

圖（1）電流表內接
在電流表外接法中，如圖（2）所示。由於電流表測出的電流I包括了流過電壓表的電流，因此，測量值要小於被測電阻的實際值。由
              (3)
可見，由於電壓表內阻不是無窮大，故給測量帶來一定的誤差。
上述兩種連接電路的方法，都給測量帶來一定的係統誤差，即測量方法誤差。為此，必須對測量結果進行修正。其修正值為
                         (4)
其中R為測量值，為實際值。

圖（2） 電流表外接
為了減小上述誤差，必須根據待測阻值的大小和電表內阻的不同，正確選擇測量電路。當
且時，選擇電流表內接法。
且時，選擇電流表外接法。
，時，兩種接法均可。
經過以上選擇，可以減小由於電表接入帶來的係統誤差，但電表本身的儀器誤差仍然存在，它取決於電表的準確度等級和量程，其相對誤差為
                          (5)
式中和為電流表和電壓表允許的示值誤差。

四、實驗內容與步驟

1．測量金屬膜電阻的伏安特性
（1）電流表內接法
根據圖（1）連接好電路。金屬膜電阻為240W，每改變一次電壓V值，讀出相應的電流I值，填入下表中，做出伏安特性曲線，並從曲線上求得電阻值。

電壓(V)
電流(mA)

（2）電流表外接法
根據圖（2）連接好電路，重複實驗步驟（1）。
（3）根據電表內阻的大小，分析上述兩種測量方法中，哪種電路的係統誤差小。
2．測量穩壓管的伏安特性
（1）穩壓管的穩壓特性
穩壓管實質上就是一個麵結型矽二極管，它具有陡峭的反向擊穿特性，工作在反向擊穿狀態。在製造穩壓管的工藝上，使它具有低壓擊穿特性。穩壓管電路中，串入限流電阻，使穩壓管擊穿後電流不超過允許的數值，因此擊穿狀態可以長期持續，並能很好地重複工作而不致損壞。
穩壓管的特性曲線如圖（3）所示，它的正向特性和一般矽二極管一樣，但反向擊穿特性較陡。由圖可見，當反向電壓增加到擊穿電壓以後，穩壓管進入擊穿狀態在曲線的AB段，雖然反向電流在很大的範圍內變化，但它兩端的電壓變化很小，即基本恒定。利用穩壓管的這一特性，可以達到穩壓的目的。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖（3）穩壓管特性曲線
（2）穩壓管的參數
1）穩定電壓。即穩壓管在反向擊穿後其兩端的實際工作電壓。這
一參數隨工作電流和溫度的不同略有改變，並且分散性較大，例如2CW14型的=6~7.5V。
但對每一個管子而言，對應於某一工作電流，穩定電壓有相應的確定值。
2）穩定電流。即穩壓管的電壓等於穩定電壓時的工作電流。
3）動態電阻。是穩壓管電壓變化和相應的電流變化之比，即，顯然，越小，穩壓效果越好，動態電阻的數值隨工作電流的增加而減小。但當工作電流>5~10mA以後，減小的不顯著，而當<1mA時，明顯增加，阻值較大。
4）穩定電流和最小穩定電流。是指穩壓管的
工作電流，超過此值，即超過了管子的允許耗散功率；是指穩壓管的最小工作電流，低於此值，不再穩定，常取=1~2mA。
 
（3）穩壓管伏安特性測定的實驗電路
實驗電路如圖（4）所示。E為0~12V可調直流穩壓電源，R為限流電阻器。
圖（4）  穩壓管的正向特性測量圖
（4）測量穩壓管的正向特性
1）按圖（4）連接電路，R阻值調到，可調穩壓電源的輸出為零。
2）增大輸出電壓，使電壓表的讀數逐漸增大，觀察加在穩壓管上電壓隨電流變化的現象，通過觀察確定測量範圍，即電壓與電流的調節範圍。
3）測定穩壓管的正向特性曲線，不應等間隔的取點，即電壓的測量值不應等間隔地取，而是在電流變化緩慢區間，電壓間隔取的疏一些，在電流變化迅速區間，電壓間隔取得密一些。如測試的2CW14型穩壓管，電壓在0V~0.7V區間取3~5個點即可。
（5）測量穩壓管的反向特性
1）將穩壓管反接；
2）定性觀察被測穩壓管的反向特性，通過觀察確定測量反向特性時電壓的調節範圍（即該型號穩壓管的工作電流所對應的電壓值）。
3）測量反向特性，同樣在電流變化迅速區域，電壓間隔應取得密一些。
3．測量小燈炮的伏安特性
給定一隻12V/0.1A小燈炮，已知UH=12伏，IH=100mA，起始電流為20mA，毫安表內阻為1W，電壓表內阻為1MW。要求：
1）自行設計測量伏安特性的線路；
2）測量小燈泡的伏安特性；
3）繪製小燈泡的伏安特性曲線；
4）判定小燈炮是線性元件還是非線性元件。

五、注意事項

1．使用電源時要防止短路，接通和斷開電路前應使輸出為零，先粗調然後再慢慢微調。
2．測量金屬膜電阻的伏安特性時，所加電壓不得使電阻超過額定輸出功率。
3．測量穩壓管伏安特性時，電路中電流值不應超過其穩定電流。