伏安特性曲线

物理学术语

伏安特性曲线图常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U，以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。伏安特性曲线是针对导体的，也就是耗电元件，图像常被用来研究导体电阻的变化规律，是物理学常用的图像法之一。

U-I图像与I-U图像

用实验研究负载两端电压跟通过负载的电流大小关系是初高中电学实验的重要内容，通过多组实验数据，学生可以得到蕴含丰富物理内涵的U—I图像或者I—U图像(伏安特性曲线)。

实验电路图如图1所示，图1中有两种电流表的接法。

对电阻进行实验后，绘制相应的曲线，如图2所示。

分别将曲线特点归纳如下：

（1）导体A的U-I图像

图像特点：过原点，线性单调递增；

物理意义表示：电路中的电阻R两端的电压随流过的电流I的变化关系；

隐含物理量：图像的斜率等于定值电阻A的阻值。

（2）导体A的伏安特性曲线

图像特点：过原点，线性单调递增（是a的反函数）；

物理意义表示：电路中的电阻R的电流I随着R两端电压U的变化关系；

隐含物理量：图像斜率的倒数等于定值电阻A的阻值。

（3）路端电压与总电流关系图像

图像特点：纵截距大于0，线性单调递减；

物理意义表示：电路中路端电压随总电流的变化关系；

隐含物理量：①图像的纵截距为电源电动势E；

②图像的横截距表示负载短路时的短路电流I；

③图像斜率的绝对值为电源内阻r。

小灯泡伏安特性曲线实验

方法:

【目的和要求】

通过实验绘制小灯泡的伏安曲线，认识小灯泡的电阻和电功率与外加电压的关系。

【仪器和器材】

学生电源（J1202型或J1202－1型），直流电压表（J0408型或J0408－1型），直流电流表（J0407型或J0407－1型），滑动变阻器（J2354－1型），小灯泡（6.3伏、0.3安或6伏、3瓦），小灯座（J2351型），单刀开关（J2352型），导线若干。

实验方法

伏安法

1．连接电路，开始时，滑动变阻器滑片应置于最小分压端，使灯泡上的电压为零。

2．接通开关，移动滑片C，使小灯泡两端的电压由零开始增大，记录电压表和电流表的示数。

3．在坐标纸上，以电压U为横坐标，电流强度I为纵坐标，利用数据，作出小灯泡的伏安特性曲线。

4．由R=U/I计算小灯泡的电阻，将结果填入表中。以电阻R为纵坐标，电压U为横坐标，作出小灯泡的电阻随电压变化的曲线。

5．由P=IU计算小灯泡的电功率，将结果填入表中。以电功率P为纵坐标，电压U为横坐标，作出小灯泡电功率随电压变化的曲线。

6，分析以上曲线。

实验原理

由于小灯泡钨丝的电阻随温度而变化，因此可利用它的这种特性进行伏安特性研究。实验中小灯泡的电阻等于灯泡两端的电压与通过灯泡电流的比值。改变小灯泡两端的电压，测出相应的电流值，可以得到小灯泡的电阻、电功率与外加电压的关系。

注意事项：

1．由于小灯泡电阻为几欧－几十欧，测小灯泡的电阻宜用电流表外接法。由于实验时需要小灯泡两端的电压变化范围大，特别是需要测得在低电压下小灯泡的电流值，故应采用滑动变阻器分压接法。

2．小灯泡的电阻随温度的升高而增大，而小灯泡在电压较低时，温度随电压的变化比较明显。因此在低电压（小于灯泡的额定电压）区域内，电压、电流数值应多取几组。

3．小灯泡可以短时间地在高于额定电压下使用，一般可以超过额定电压的10%－20%，所以加在灯泡两端的电压不能过高，以免烧毁灯泡。实验时，应使灯泡两端电压由低向高逐渐增大，决不要一开始就使小灯泡在高于额定电压下工作。因为灯丝电阻随温度的升高而加大，如果灯丝由低温状态，直接超过额定电压使用，会由于灯丝冷电阻过小，瞬间电流过大而烧坏灯泡。

4. 所用的滑动变阻器的量程范围，变阻器电阻越大则每次测量的改变越大，若想得到精确的图像或所测小灯泡电阻过小则建议使用较小的变阻器，可以更精确的测量。

结论

灯泡能发光，是因为在灯丝两端加上了一定的电压，在灯丝中有电流通过，从而使灯丝温度升高而发光的缘故，所以灯丝的电阻与通过它的电流有关。通过导体的电流和导体两端的电压之间的关系可以用图线来表示，称为导体的伏安特性曲线．如果导体的温度不变、其电阻也不变，这条曲线就是直线。当导体被通过它的电流加热时，这条曲线将稍向下弯曲，说明当加大导体两端的电压时，由于其电阻增大，通过它的电流并不是呈线性增大，如图3所示。

还有一些导体（如碳丝），其电阻随温度的增加而减小，这时它的电阻温度系数为负值，伏安特性曲线将向上弯曲。

二极管伏安特性曲线

某一个金属导体，在温度没有显著变化时，电阻是不变的，它的伏安特性曲线是通过坐标原点的直线，具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件。因为温度可以决定电阻的大小。

欧姆定律是个实验定律，实验中用的都是金属导体。这个结论对其它导体是否适用，仍然需要实验的检验。实验表明，除金属外，欧姆定律对电解质溶液也适用，但对气态导体（如日光灯管、霓虹灯管中的气体）和半导体元件并不适用。也就是说，在这些情况下电流与电压不成正比，这类电学元件叫做非线性元件。

二极管伏安特性曲线加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。如图4所示：

正向特性：u>0的部分称为正向特性。

反向特性：u<0的部分称为反向特性。

反向击穿：当反向电压超过一定数值U（BR）后，反向电流急剧增加，称之反向击穿。

势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。

变容二极管：当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，而制成各种变容二极管。如图5所示。

平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。

非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。