實(shí)驗(yàn)電橋,電表改裝,伏安法（Word）

1、 實(shí)驗(yàn)11 電阻元件的伏安特性 學(xué)習(xí)重點(diǎn) 1學(xué)習(xí)常用電磁學(xué)儀器儀表的正確使用及簡單電路的聯(lián)接。 2掌握用伏安法測量電阻的基本方法及其誤差的分析。 3測定線性電阻和非線性電阻的伏安特性。實(shí)驗(yàn)原理電阻是導(dǎo)體材料的重要特性參數(shù)之一。在生產(chǎn)、維修檢測和實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要對(duì)電阻進(jìn)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(yùn)用歐姆定律，測出電阻兩端的電壓U和其上通過的電流I，根據(jù) 即可求得電阻值R。也可運(yùn)用作圖法，做出伏安特性圖線，從圖線上求得電阻的阻值。對(duì)有些電阻器件，其伏安特性圖線為直線的稱為線性電阻，如常用的碳膜電阻，金屬線繞電阻、金屬膜電阻等。另外有些元件，伏安特性圖線為

2、曲線，稱為非線性元件，如燈泡、晶體二極管、穩(wěn)壓管、熱敏電阻等。非線性電阻元件的電阻值是隨外界條件變化的，在一定的條件下只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，但由于電表內(nèi)阻接入的影響，會(huì)給測量帶來一定系統(tǒng)誤差，如圖4-11-1（a）和（b），分別為電流表內(nèi)接和電流表外接兩種電路。+-+mAVRxKER0RxK+-E- +R0+圖 4-11-1（a）mAV（b）在電流表內(nèi)接法中，由于電壓表測出的電壓值U包括了電流表兩端的電壓，因此，測量值要大于被測電阻的實(shí)際值。 可見，由于電流表內(nèi)阻不可忽略，故產(chǎn)生一定的誤差。 在電流表的外接法中，由于電流表測出的電流I包括了流過電

3、壓表的電流，因此，測量值要小于實(shí)際值。由 可見，由于電壓表內(nèi)阻不是無窮大，故給測量帶來一定誤差。上述兩種聯(lián)接電路的方法，都給測量帶來一定的系統(tǒng)誤差，即測量方法誤差。為此，必須對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正。其修正值為 DRx =Rx - R其中R為測量值，Rx為實(shí)際值。為了減小上述誤差，必須根據(jù)待測電阻的大小和電表內(nèi)阻的不同，正確選擇測量電路。當(dāng)Rx RmA 且Rx RU 時(shí)，選擇電流表內(nèi)接法。Rx RU 且Rx RmA 時(shí)，選擇電流表外接法。Rx RmA Rx RU 時(shí)，兩種接法均可。經(jīng)過以上處理，可以減小和消除由于電表接入帶來的系統(tǒng)誤差，但電表本身的儀器誤差仍然存在，它決定于電表的準(zhǔn)確度等級(jí)和量程，其

4、相對(duì)誤差為式中I和U 為電流表和電壓表允許的最大示值誤差。實(shí)驗(yàn)儀器 直流毫安表、直流電壓表、直流穩(wěn)壓電源、滑線變阻器、電阻箱、待測金屬膜電阻、待測晶體二極管、待測穩(wěn)壓管、電鍵、導(dǎo)線等。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1 測定金屬膜電阻的伏安特性 （1）按圖4-11-1（a）聯(lián)接連好電路。取金屬膜電阻Rx為1000W左右，每改變一次電壓U，讀出相應(yīng)的I值，將測量數(shù)據(jù)記入自擬表格中，并作伏安特性圖線，從圖線上求得電阻值。 （2）按圖4-11-1（b）聯(lián)接連好電路。仍用（1）中的Rx ，每改變一次電流I值，讀出相應(yīng)的電壓U值，將測量數(shù)據(jù)記入表中，并作伏安特性圖線，從圖線上求得電阻值。 （3）根據(jù)電表內(nèi)阻的大小，分析

5、上述兩種測量方法中，哪種電路的系統(tǒng)誤差小。I（mA）U(V)U擊穿死區(qū) 2測量2CP型晶體二極管的正向伏安特性晶體二極管PN結(jié)在正向?qū)щ姇r(shí)電阻很小，反向?qū)щ姇r(shí)電阻很大，具有單向?qū)щ娦浴ｋS著所加電壓的大小，電流也不是成比例的變化，它的伏安特性圖線是一條曲線，所以屬非線性元件。由圖4-11-2可見，在二極管兩端加正向電壓時(shí)，在死區(qū)電壓以內(nèi)，二極管呈現(xiàn)的電阻較大，所以只有很小的電流，一旦超過死區(qū)電壓，電流增長很快。二極管的正向電流不允許超過最大整流電流，否則將導(dǎo)致二極管損壞。當(dāng)加反向電壓時(shí)，由于少數(shù)載流子的作用，形成反向電流。反向電壓在一定范圍內(nèi)，圖 4-11-2反向電流很小，特別是硅管幾乎為零，而

6、且?guī)缀醪蛔?，形成反向飽和電流。?dāng)反向電壓增大到一定程度后，反向電流突然增大，出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象，此時(shí)二極管將因擊穿而損壞， 所以二極管必須給出反向工作電壓（通常是擊穿電壓的一半）。圖 4-11-3+ -VKEmARR0D+ - - + 按圖4-11-3連接電路，取電源電壓為：1.5V，從0V開始，每隔0.1V讀一次電流，直到電流達(dá)30mA為止。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作正向伏安特性曲線；并根據(jù)圖線求出伏安特性。數(shù)據(jù)表格自擬。 3測量穩(wěn)壓管的伏安特性 （1）穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)面結(jié)型硅二極管，它具有陡峭的反向擊穿特性，工作在反向擊穿狀態(tài)。在制造穩(wěn)壓管的工藝上，使它具有低壓擊穿特性。穩(wěn)壓管電路中

7、，串人限流電阻，使穩(wěn)壓管擊穿后電流不超過允許的數(shù)值，因此擊穿狀態(tài)可以長期持續(xù)，并能很好地重復(fù)工作而不致?lián)p壞。 穩(wěn)壓管的符號(hào)和特性曲線如圖4-11-4所示，它的正向特性和一般硅二極管一樣，但反向擊穿特性較陡。由圖可見，當(dāng)反向電壓增加到擊穿電壓以后穩(wěn)壓管進(jìn)入擊穿狀態(tài)，在曲線的AB段，雖然反向電流在很大的范圍內(nèi)變化，但它兩端的電壓Uz變化很小，即Uz基本恒定。利用穩(wěn)壓管的這一特性，可以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。IUUZABIZmaxIZminIZIZDZUZ- （2）穩(wěn)壓管的參數(shù)+ a穩(wěn)定電壓Uz 。即穩(wěn)壓管在反向擊穿后其兩端的實(shí)際工作電壓。這一參數(shù)隨工作電流和溫度的不同略有改變，并且分散性較大，例如2CW5

8、5型的Uz=6.57V左右。但對(duì)每一個(gè)管子而言，對(duì)應(yīng)于某一工作電流，穩(wěn)定電壓有相應(yīng)的確定值。(b)(a)圖4-11-4 b. 穩(wěn)定電流Iz 。 即穩(wěn)壓管的電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的工作電流。圖4-11-5K212A C BR0RlK1EmAVDZ c. 動(dòng)態(tài)電阻rz 。是穩(wěn)壓管電壓變化和相應(yīng)的電流變化之比，即rz= D Uz /DIz ，顯然，DUz越小，穩(wěn)壓效果越好，動(dòng)態(tài)電阻的數(shù)值隨工作電流的增加，而減小。但當(dāng)工作電流了，Iz510mA以后，rz減小得不顯著，而當(dāng)Iz 106W）測量就不適用，必須選擇其它測量方法。如沖擊電流計(jì)法、兆歐表法、伏安法等。本實(shí)驗(yàn)主要介紹用單臂電橋（惠斯通電橋）法測量中值

9、電阻（1W 106W）。 學(xué)習(xí)重點(diǎn)1 掌握用惠斯通電橋測量電阻的原理和方法。2 學(xué)習(xí)用交換法減小和削除系統(tǒng)誤差。3 初步研究電橋的靈敏度。實(shí)驗(yàn)原理1 惠斯通電橋的線路原理惠斯通電橋的基本線路如圖4-13-1所示。它是由四個(gè)電阻R1、R2、RS、Rx聯(lián)成一個(gè)四邊形ABCD，在對(duì)角線AB上接上電源E，在對(duì)角線CD上接上檢流計(jì)G組成。接入檢流計(jì)（平衡指示）的對(duì)角線稱“橋”，檢流計(jì)的作用就是將“橋”兩端的電位UC和UD直接進(jìn)行比較。而四邊形的每一條邊稱為電橋的一個(gè)“橋臂”。在一般情況下，橋路上檢流計(jì)中有電流通過，因而檢流計(jì)的指針有偏轉(zhuǎn)。若適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻值，例如改變RS的大小，可以使C、D兩點(diǎn)的電位相等，

10、即UC= UD，此時(shí)流過檢流計(jì)G的電流Ig = 0 ，這稱為電橋平衡。即有RxI1I2KgKEBADCGRSR2R1 UC = UD IR = IR x = I1 IR2 = IRS = I2 由歐姆定律知道 UAC = I1R1 = UAD = I2R2 UCB = I1Rx = UDB = I2RS 由以上兩式可得 圖 4-13-1 （4-13-1） 此式即為電橋的平衡條件。若R1、R2、RS已知，Rx即可由上式求出。通常取R1、R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻，R1R2稱為橋臂比，改變RS使電橋達(dá)到平衡，即檢流計(jì)G中無電流流過，便可測出被測電阻Rx之值。 2用交換法減小和消減系統(tǒng)誤差分析電橋線路和測量公式

11、可知，用惠斯登電橋測量電阻Rx的誤差，除其它因素外，與標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2的誤差有關(guān)。我們可以采用交換法來消除這一系統(tǒng)誤差，方法是：先連接好電橋電路，調(diào)節(jié)RS使G中無電流，可由式（4-13-1）求出Rx。然后將R1與R2或RS與Rx交換位置，再調(diào)節(jié)RS，使G中無電流，記下此時(shí)的RS，可得 （4-13-2）式（4-13-1）和（4-13-2）兩式相乘得 R 2x = RS RS或 （4-13-3） 這樣就消除了由R1、R2本身的誤差對(duì)Rx引入的測量誤差。Rx的測量誤差只與電阻箱RS的儀器誤差有關(guān)，而RS可選用高精度的標(biāo)準(zhǔn)電阻箱，這樣系統(tǒng)誤差就可減小。 3電橋的靈敏度（4-13-1）式是在電橋平衡的

12、條件下推導(dǎo)出來的，而電橋是否平衡，實(shí)際上是看檢流計(jì)是否有偏轉(zhuǎn)來判斷。檢流計(jì)的靈敏度總是有限的，如我們實(shí)驗(yàn)中所用的檢流計(jì)，指針偏轉(zhuǎn)一格所對(duì)應(yīng)電流大約為10-6A。當(dāng)通過它的電流比10-7A還要小時(shí)，指針的偏轉(zhuǎn)小于0.1格，就很難覺察出來。假設(shè)電橋在R1R2 =1時(shí)調(diào)到了平衡，則有Rx =RS。這時(shí)，若把RS改變DRS，電橋就應(yīng)失去平衡，檢流計(jì)中有電流Ig流過。但是，如果Ig小到使檢流計(jì)覺察不出來，那么，我們就會(huì)認(rèn)為電橋還是平衡的。因而得出Rx =RS十DRS，DRS就是因?yàn)闄z流計(jì)靈敏度不夠而帶來的測量誤差DRx。對(duì)此，我們引入電橋靈敏度的概念，其定義為 S = Dn /（DRx / Rx） （4

13、-13-4）DRx是在電橋平衡后Rx的微小改變量（實(shí)際上是改變RS ，可以證明，改變?nèi)我槐鬯贸龅碾姌蜢`敏度是一樣的），Dn是由于電橋偏離平衡而引起的檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)。S越大，說明電橋越靈敏，帶來的誤差也就越小。例如S=100格，一般我們可以覺察出檢流計(jì)有0.2格的偏轉(zhuǎn)，這樣，只要RS改變0.2，我們就可以覺察出來。也就是說，由于檢流計(jì)靈敏度的限制所帶來的誤差肯定小于0.2。S的定義式可變換為 (4-13-5) 式中，Si為檢流計(jì)的電流靈敏度，Sl為電橋線路的靈敏度。即電橋的靈敏度不僅與檢流計(jì)的靈敏度有關(guān)，而且還與線路參數(shù)（R1、R2、RS、Rx、E）的取值有關(guān)。一般在用電橋測電阻時(shí)，應(yīng)保證較

14、高的電橋靈敏度。在檢流計(jì)、電源一定的情況下，橋臂電阻的取值及橋臂比，都會(huì)影響電橋的靈敏度。同時(shí)要合理確定橋臂比R1R2之值，使測量結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)足夠多，一般應(yīng)比由誤差決定的位數(shù)多一位。但在測量時(shí)還應(yīng)保證在改變RS的最小可調(diào)檔（DRSmin）兩次，或改變量為儀器誤差 DI 時(shí)應(yīng)能覺察出檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)（0.2格）。否則，位數(shù)再多也是不實(shí)際的。4 QJ23A型攜帶式直流單電橋QJ23A型攜帶式直流單電橋適用于測量111.11106W范圍內(nèi)的電阻，基本量程為101.111105W，它的內(nèi)部接線及面板外型如圖4-13-2、4-13-3所示。圖4-13-3中下面四只讀數(shù)盤為RS（比較臂），右下角兩接

15、線端鈕“Rx”為被測電阻接線端鈕，左下角“B”為電源按鈕開關(guān)，“G”為檢流計(jì)按鈕開關(guān)，檢流計(jì)右面的旋鈕為比率臂選擇開關(guān)（橋臂比R1R2之值），從10-3103以10倍相差，共有7個(gè)比值，直接刻在轉(zhuǎn)盤上，左上角兩接線柱為外接檢流計(jì)的接線端鈕，右上角的接線柱為外接電源的接線端鈕?！癎”為檢流計(jì)選擇開關(guān)；“B”為電源選擇開關(guān)。當(dāng)使用儀器所附檢流計(jì)時(shí)，將“G”開關(guān)倒向“內(nèi)接”一側(cè)即可。若需外接檢流計(jì)時(shí)將“G”開關(guān)倒向“外接”一側(cè)。同樣，若用外接電源時(shí)，需把“B”開關(guān)倒向“外接”一側(cè)，用儀器內(nèi)電源時(shí)“B”倒向“內(nèi)接”一側(cè)。0.0010.010.11101001000101000W10100W1010W1

16、010WRx+ B外接 -4.5VG外接外接內(nèi)接內(nèi)接外接GB圖 4-13-3圖 4-13-2 使用方法： 1將“G”和“B”開關(guān)均倒向“內(nèi)接”一側(cè)。調(diào)節(jié)檢流計(jì)調(diào)零旋鈕，使檢流計(jì)指針指向零刻度。 2選擇比率臂的倍率值，用萬用表粗略測出待測電阻的數(shù)值，根據(jù)其大小，將比率臂選擇開關(guān)調(diào)到合適的檔位（如Rx為104W ，置“10”， 為103W，置“1”等），保證比較臂有四位有效數(shù)字。 3將被測電阻接在“Rx”接線端鈕之間，測量時(shí)先按“B”，后按“G”，測量結(jié)束時(shí)，應(yīng)先松開“G”，后松開“B”，（測量電感性電阻時(shí)尤其要注意，否則檢流計(jì)將被感生電動(dòng)勢損壞）。 4調(diào)節(jié)比較臂，從高檔往低檔調(diào)節(jié)RS的四個(gè)讀數(shù)盤

17、，使檢流計(jì)指針向零點(diǎn)趨近，直至電橋平衡為止，則被測電阻Rx=比率值比較臂讀數(shù)。 5測量完畢，將“B”開關(guān)倒向“外接”一側(cè)，以免電橋長期處于工作狀態(tài)而損壞，同時(shí)也可避免電池的損壞和浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)儀器QJ23A型攜帶式直流單電橋、電阻箱、檢流計(jì)、電源、開關(guān)、待測電阻等。R2R1RSKKgI2I1GRxERm實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 1自搭電橋，按圖（4-13-4）連接電路。注意連線操作時(shí)應(yīng)遵從電學(xué)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，連線按回路依次連接，并使電路布局合理。圖中“橋”路開關(guān)Kg上并聯(lián)了一個(gè)高電阻Rm，其作用是保護(hù)檢流計(jì)，方便平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)。測量時(shí)先打開Kg，由于Rm較大，所以流經(jīng)檢流計(jì)的電流不會(huì)太大。調(diào)節(jié)RS使電橋接近于

18、平衡狀態(tài)時(shí)，再合上Kg使Rm短路，此時(shí)橋路的靈敏度增高，再仔細(xì)調(diào)節(jié)RS，使電橋平衡，即G指針指零。圖 4-13-42測未知電阻Rx。（a）記錄Rx的標(biāo)稱值或用萬用表的粗測值。（b）分別選擇比率臂（橋臂比）R1/R2 的不同10進(jìn)倍率（可參考后面的數(shù)據(jù)表格）測量Rx。測量時(shí)，先根據(jù)選擇的倍率預(yù)置Rs值，然后接通電源進(jìn)行測量。（測量方式按第1條所述要求進(jìn)行）3測量靈敏度S。測量Rx時(shí)，在不同的（橋臂比），即R1/R2 的不同10進(jìn)倍率的比值下，當(dāng)電橋平衡后，使Rs改變Rs，檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)Dn格（推薦Dn 10格），計(jì)算S是否相同。4將Rx與RS交換位置重測，用（4-13-3）計(jì)算Rx ，并與2中的測量結(jié)果分析比較。 5用箱式電橋測量同一批標(biāo)稱值相同的產(chǎn)品電阻，其數(shù)目在15個(gè)左右，算出平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，定出此批電阻的不確定度。 6（選做）測定實(shí)驗(yàn)中測Rx時(shí)的電橋靈敏度，并計(jì)算或測定由電橋靈敏度引入的誤差DRS ，（取人眼能夠判斷偏轉(zhuǎn)的界限為0.2格）。數(shù)據(jù)記錄與處理 表 1 電源電壓E=1.5V; Rx 粗估值 (W) R1 （W）R2 W）R