伏安特性曲線

用實驗研究負載兩端電壓跟通過負載的電流大小關係是初高中電學實驗的重要內容，通過多組實驗數據，學生可以得到蘊含豐富物理內涵的U—I圖像或者I—U圖像(伏安特性曲線)。

實驗電路圖如圖1所示，圖中有兩種電流表的接法。

對電阻進行實驗后，繪製相應的曲線，如圖2所示。

分別將曲線特點歸納如下：

（1）導體A的U-I圖像

圖像特點：過原點，線性單調遞增；

物理意義表示：電路中的電阻R兩端的電壓隨流過的電流I的變化關係；

隱含物理量：圖像的斜率等於定值電阻A的阻值。

（2）導體A的伏安特性曲線

圖像特點：過原點，線性單調遞增（是a的反函數）；

物理意義表示：電路中的電阻R的電流I隨著R兩端電壓U的變化關係；

隱含物理量：圖像斜率的倒數等於定值電阻A的阻值。

（3）路端電壓與總電流關係圖像

圖像特點：縱截距大於0，線性單調遞減；

物理意義表示：電路中路端電壓隨總電流的變化關係；

隱含物理量：①圖像的縱截距為電源電動勢E；

②圖像的橫截距表示負載短路時的短路電流I；

③圖像斜率的絕對值為電源內阻r。

方法:

【目的和要求】

通過實驗繪製小燈泡的伏安曲線，認識小燈泡的電阻和電功率與外加電壓的關係。

【儀器和器材】

學生電源（J1202型或J1202－1型），直流電壓表（J0408型或J0408－1型），直流電流表（J0407型或J0407－1型），滑動變阻器（J2354－1型），小燈泡（6.3伏、0.3安或6伏、3瓦），小燈座（J2351型），單刀開關（J2352型），導線若干。

實驗方法

伏安法

1．連接電路，開始時，滑動變阻器滑片應置於最小分壓端，使燈泡上的電壓為零。

2．接通開關，移動滑片C，使小燈泡兩端的電壓由零開始增大，記錄電壓表和電流表的示數。

3．在坐標紙上，以電壓U為橫坐標，電流強度I為縱坐標，利用數據，作出小燈泡的伏安特性曲線。

4．由R=U/I計算小燈泡的電阻，將結果填入表中。以電阻R為縱坐標，電壓U為橫坐標，作出小燈泡的電阻隨電壓變化的曲線。

5．由P=IU計算小燈泡的電功率，將結果填入表中。以電功率P為縱坐標，電壓U為橫坐標，作出小燈泡電功率隨電壓變化的曲線。

6，分析以上曲線。

實驗原理

由於小燈泡鎢絲的電阻隨溫度而變化，因此可利用它的這種特性進行伏安特性研究。實驗中小燈泡的電阻等於燈泡兩端的電壓與通過燈泡電流的比值。改變小燈泡兩端的電壓，測出相應的電流值，可以得到小燈泡的電阻、電功率與外加電壓的關係。

注意事項：

1．由於小燈泡電阻為幾歐－幾十歐，測小燈泡的電阻宜用電流表外接法。由於實驗時需要小燈泡兩端的電壓變化範圍大，特別是需要測得在低電壓下小燈泡的電流值，故應採用滑動變阻器分壓接法。

2．小燈泡的電阻隨溫度的升高而增大，而小燈泡在電壓較低時，溫度隨電壓的變化比較明顯。因此在低電壓（小於燈泡的額定電壓）區域內，電壓、電流數值應多取幾組。

3．小燈泡可以短時間地在高於額定電壓下使用，一般可以超過額定電壓的10%－20%，所以加在燈泡兩端的電壓不能過高，以免燒毀燈泡。實驗時，應使燈泡兩端電壓由低向高逐漸增大，決不要一開始就使小燈泡在高於額定電壓下工作。因為燈絲電阻隨溫度的升高而加大，如果燈絲由低溫狀態，直接超過額定電壓使用，會由於燈絲冷電阻過小，瞬間電流過大而燒壞燈泡。

4. 所用的滑動變阻器的量程範圍，變阻器電阻越大則每次測量的改變越大，若想得到精確的圖像或所測小燈泡電阻過小則建議使用較小的變阻器，可以更精確的測量。

結論

燈泡能發光，是因為在燈絲兩端加上了一定的電壓，在燈絲中有電流通過，從而使燈絲溫度升高而發光的緣故，所以燈絲的電阻與通過它的電流有關。通過導體的電流和導體兩端的電壓之間的關係可以用圖線來表示，稱為導體的伏安特性曲線．如果導體的溫度不變、其電阻也不變，這條曲線就是直線。當導體被通過它的電流加熱時，這條曲線將稍向下彎曲，說明當加大導體兩端的電壓時，由於其電阻增大，通過它的電流並不是呈線性增大，如圖所示。

還有一些導體（如碳絲），其電阻隨溫度的增加而減小，這時它的電阻溫度係數為負值，伏安特性曲線將向上彎曲。

某一個金屬導體，在溫度沒有顯著變化時，電阻是不變的，它的伏安特性曲線是通過坐標原點的直線，具有這種伏安特性的電學元件叫做線性元件。因為溫度可以決定電阻的大小。

歐姆定律是個實驗定律，實驗中用的都是金屬導體。這個結論對其它導體是否適用，仍然需要實驗的檢驗。實驗表明，除金屬外，歐姆定律對電解質溶液也適用，但對氣態導體（如日光燈管、霓虹燈管中的氣體）和半導體元件並不適用。也就是說，在這些情況下電流與電壓不成正比，這類電學元件叫做非線性元件。

二極體伏安特性曲線加在PN結兩端的電壓和流過二極體的電流之間的關係曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示：

正向特性：u>0的部分稱為正向特性。

反向特性：u<0的部分稱為反向特性。

反向擊穿：當反向電壓超過一定數值U（BR）后，反向電流急劇增加，稱之反向擊穿。

勢壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容Cb。

變容二極體：當PN結加反向電壓時，Cb明顯隨u的變化而變化，而製成各種變容二極體。如下圖所示。

平衡少子：PN結處於平衡狀態時的少子稱為平衡少子。

非平衡少子：PN結處於正向偏置時，從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子均稱為非平衡少子。

擴散電容：擴散區內電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同，這種電容效應稱為Cd。