电阻元件V-A特性测量试验仪

电阻是电学中常用的物理量，利用欧姆定律求导体电阻的方法称为伏安法，它是测量电阻的基本方法之一。为了研究材料的导电性，通常作出其伏安特性曲线，了解它的电压与电流的关系。伏安特性曲线是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，这两种元件的电阻都可以用伏安法测量，但由于测量时电表被引入测量电路，电表内阻必然会影响测量结果，因而应考虑对测量结果进行必要的修正，以减小系统误差。

一、实验目的

1．学习常用电磁学仪器仪表的正确使用及简单电路的连接方法；
2．掌握用伏安法测量电阻及其误差分析的基本方法；
3．学习测量线性电阻和非线性电阻的伏安特性；
4．学习用作图法处理实验数据，并对所得伏安特性曲线进行分析。

二、实验设备

电阻元件伏安特性测量实验仪集成了0~20V可调直流稳压电源；直流数字电压表，量程为2V/20V可调，内阻为1MW；直流数字毫安表，量程为200mA /2Ma/20mA/200mA可调，其相对应内阻分别为1KW、100W、10W、1W；待测240W/2W金属膜电阻、待测稳压管（5.6V）、待测小灯炮（12V/0.1A）等。

三、实验原理

在温度一定的情况下，当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之比称为该元件的电阻。若元件两端的电压与通过它的电流不成正比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。一般金属导体电阻是线性电阻，它与外加电压的大小和方向无关，其伏安特性曲线是一条直线。
电阻是导体材料的重要特性，在电学实验中经常要对电阻进行测量。测量电阻的方法有多种，伏安法是常用的基本方法之一。所谓伏安法，就是运用欧姆定律，测出电阻两端的电压V和其上通过的电流I，根据
                                (1)
即可求得阻值R。也可运用作图法，做出伏安特性曲线，从曲线上求得电阻的阻值。对有些电阻，其伏安特性曲线为直线，称为线性电阻，如常用的碳膜电阻、线绕电阻、金属膜电阻等。另外，有些元件，伏安特性曲线为曲线，称为非线性电阻元件，如灯泡、晶体二极管、稳压管、热敏电阻等。非线性电阻元件的阻值是不确定的，只有通过作图法才能反映它的特性。
用伏安法测电阻，原理简单，测量方便，但由于电表内阻接入的影响，给测量带来一定系统误差。
在电流表内接法中，如图（1）所示。由于电压表测出的电压值V包括了电流表两端的电压，因此，测量值要大于被测电阻的实际值。由
             (2)
可见，由于电流表内阻不可忽略，故给测量带来一定的误差。

图（1）电流表内接
在电流表外接法中，如图（2）所示。由于电流表测出的电流I包括了流过电压表的电流，因此，测量值要小于被测电阻的实际值。由
              (3)
可见，由于电压表内阻不是无穷大，故给测量带来一定的误差。
上述两种连接电路的方法，都给测量带来一定的系统误差，即测量方法误差。为此，必须对测量结果进行修正。其修正值为
                         (4)
其中R为测量值，为实际值。

图（2） 电流表外接
为了减小上述误差，必须根据待测阻值的大小和电表内阻的不同，正确选择测量电路。当
且时，选择电流表内接法。
且时，选择电流表外接法。
，时，两种接法均可。
经过以上选择，可以减小由于电表接入带来的系统误差，但电表本身的仪器误差仍然存在，它取决于电表的准确度等级和量程，其相对误差为
                          (5)
式中和为电流表和电压表允许的示值误差。

四、实验内容与步骤

1．测量金属膜电阻的伏安特性
（1）电流表内接法
根据图（1）连接好电路。金属膜电阻为240W，每改变一次电压V值，读出相应的电流I值，填入下表中，做出伏安特性曲线，并从曲线上求得电阻值。

电压(V)
电流(mA)

（2）电流表外接法
根据图（2）连接好电路，重复实验步骤（1）。
（3）根据电表内阻的大小，分析上述两种测量方法中，哪种电路的系统误差小。
2．测量稳压管的伏安特性
（1）稳压管的稳压特性
稳压管实质上就是一个面结型硅二极管，它具有陡峭的反向击穿特性，工作在反向击穿状态。在制造稳压管的工艺上，使它具有低压击穿特性。稳压管电路中，串入限流电阻，使稳压管击穿后电流不超过允许的数值，因此击穿状态可以长期持续，并能很好地重复工作而不致损坏。
稳压管的特性曲线如图（3）所示，它的正向特性和一般硅二极管一样，但反向击穿特性较陡。由图可见，当反向电压增加到击穿电压以后，稳压管进入击穿状态在曲线的AB段，虽然反向电流在很大的范围内变化，但它两端的电压变化很小，即基本恒定。利用稳压管的这一特性，可以达到稳压的目的。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图（3）稳压管特性曲线
（2）稳压管的参数
1）稳定电压。即稳压管在反向击穿后其两端的实际工作电压。这
一参数随工作电流和温度的不同略有改变，并且分散性较大，例如2CW14型的=6~7.5V。
但对每一个管子而言，对应于某一工作电流，稳定电压有相应的确定值。
2）稳定电流。即稳压管的电压等于稳定电压时的工作电流。
3）动态电阻。是稳压管电压变化和相应的电流变化之比，即，显然，越小，稳压效果越好，动态电阻的数值随工作电流的增加而减小。但当工作电流>5~10mA以后，减小的不显著，而当<1mA时，明显增加，阻值较大。
4）稳定电流和最小稳定电流。是指稳压管的
工作电流，超过此值，即超过了管子的允许耗散功率；是指稳压管的最小工作电流，低于此值，不再稳定，常取=1~2mA。
 
（3）稳压管伏安特性测定的实验电路
实验电路如图（4）所示。E为0~12V可调直流稳压电源，R为限流电阻器。
图（4）  稳压管的正向特性测量图
（4）测量稳压管的正向特性
1）按图（4）连接电路，R阻值调到，可调稳压电源的输出为零。
2）增大输出电压，使电压表的读数逐渐增大，观察加在稳压管上电压随电流变化的现象，通过观察确定测量范围，即电压与电流的调节范围。
3）测定稳压管的正向特性曲线，不应等间隔的取点，即电压的测量值不应等间隔地取，而是在电流变化缓慢区间，电压间隔取的疏一些，在电流变化迅速区间，电压间隔取得密一些。如测试的2CW14型稳压管，电压在0V~0.7V区间取3~5个点即可。
（5）测量稳压管的反向特性
1）将稳压管反接；
2）定性观察被测稳压管的反向特性，通过观察确定测量反向特性时电压的调节范围（即该型号稳压管的工作电流所对应的电压值）。
3）测量反向特性，同样在电流变化迅速区域，电压间隔应取得密一些。
3．测量小灯炮的伏安特性
给定一只12V/0.1A小灯炮，已知UH=12伏，IH=100mA，起始电流为20mA，毫安表内阻为1W，电压表内阻为1MW。要求：
1）自行设计测量伏安特性的线路；
2）测量小灯泡的伏安特性；
3）绘制小灯泡的伏安特性曲线；
4）判定小灯炮是线性元件还是非线性元件。

五、注意事项

1．使用电源时要防止短路，接通和断开电路前应使输出为零，先粗调然后再慢慢微调。
2．测量金属膜电阻的伏安特性时，所加电压不得使电阻超过额定输出功率。
3．测量稳压管伏安特性时，电路中电流值不应超过其稳定电流。