電流-電圧特性

学習指導要領： GCSE (I–V characteristics), 2de, Sek I, A-level, IB B.5

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目的

抵抗、フィラメント電球、ダイオードの電流-電圧特性を測定し、その形を比べます。

実験装置

1つの 3 V の電圧源が、「+」（左）と「−」（右）のバスを通して3つの分岐に電流を送っています。どの分岐にも電流計があり、部品の両端には電圧計がつながれています。上は 100 Ω の抵抗、中央は 6 V / 3 W の電球、下は 100 Ω の保護抵抗をつけたダイオードです。

手順

1. 電圧源の電圧を 0 から 6 V まで 1 V ずつ変えます。
2. それぞれの段階で、3つの部品すべてについて電圧と電流の組を記録します。
3. \(I(U)\) のグラフを3つかきます。
4. ダイオードの端子（アノードとカソード）につながった2本のケーブルのプラグを入れ替えてダイオードを逆向きにつなぎ、測定をくり返します。

予想される結果

3 V では、抵抗は約 2.78 V と 28 mA、電球は約 2.74 V と 314 mA、ダイオードは約 0.61 V と 22 mA です（実際のシリコンダイオードでは、この電流で少し大きく、約 0.7 V になります）。抵抗のグラフは直線です。電球のグラフは曲がります。フィラメントが熱くなって抵抗が大きくなり、6 V では約 12 Ω になります。ダイオードは 0.5 V 未満ではほとんど電流を通しませんが、それを超えると電流が急に増え、ダイオードにかかる電圧は約 0.6〜0.7 V にとどまります。ダイオードを逆向きにすると、ダイオードの電流はゼロです。

問題

1. 電圧を上げると電球の抵抗が大きくなるのはなぜですか。
2. ダイオードに直列に抵抗をつなぐのはなぜですか。

解答

1. 電流がフィラメントを熱し、タングステンの抵抗は温度とともに大きくなります。電圧が高いほど、フィラメントは熱くなります。3 V では電球の抵抗は 2.74 V / 314 mA ≈ 8.7 Ω、6 V では約 12 Ω で、冷えたフィラメントの抵抗は、十分に光っているときの約15分の1しかありません。
2. 約 0.6 V を超えるとダイオードの電流は非常に急に増え、ダイオード自身はほとんど電流を制限しません。100 Ω の抵抗が残りの電圧を受けもって電流を決め、3 V では約 22 mA になります。抵抗がなければ、電流を制限するのは電圧源の内部抵抗 0.5 Ω、電流計、ケーブルだけになり、電流は数アンペアに達して、実際のダイオードを壊してしまいます。