Вольт-амперные характеристики

Программы: GCSE (I–V characteristics), 2de, Sek I, A-level, IB B.5

Цель¶

Снять вольт-амперные характеристики резистора, лампочки накаливания и диода и сравнить их форму.

Установка¶

Один источник 3 В питает три ветви через шины «+» (слева) и «−» (справа); в каждой ветви — амперметр и вольтметр на элементе. Сверху — резистор 100 Ом, в середине — лампочка 6 В / 3 Вт, снизу — диод с защитным резистором 100 Ом.

Ход работы¶

Изменяйте напряжение источника от 0 до 6 В с шагом 1 В.
На каждом шаге записывайте пары «напряжение — сила тока» для всех трёх элементов.
Постройте три графика \(I(U)\).
Включите диод в обратном направлении: поменяйте местами штекеры двух кабелей на его выводах — аноде и катоде — и повторите измерения.

Ожидаемый результат

При 3 В: резистор — около 2,78 В и 28 мА; лампочка — около 2,74 В и 314 мА; диод — около 0,61 В и 22 мА (у настоящего кремниевого диода при таком токе чуть больше, около 0,7 В). График резистора — прямая. Кривая лампочки изгибается: нить нагревается, и её сопротивление растёт — при 6 В около 12 Ом. Диод почти не проводит ток ниже 0,5 В; выше сила тока резко растёт, а напряжение на диоде остаётся около 0,6–0,7 В. При обратном включении ток диода равен нулю.

Вопросы¶

Почему сопротивление лампочки растёт с напряжением?
Зачем последовательно с диодом включён резистор?

Ответы

Ток нагревает нить, а сопротивление вольфрама растёт с температурой: чем выше напряжение, тем горячее нить. При 3 В сопротивление лампочки 2,74 В / 314 мА ≈ 8,7 Ом, при 6 В — около 12 Ом, а у холодной нити сопротивление всего около одной пятнадцатой от сопротивления при полном накале.
Выше примерно 0,6 В ток диода растёт очень круто, и сам диод его почти не ограничивает. Резистор 100 Ом берёт на себя остальное напряжение и задаёт силу тока — около 22 мА при 3 В; без него ток ограничивали бы только внутреннее сопротивление источника 0,5 Ом, амперметр и кабели, и ток достиг бы нескольких ампер и вывел бы из строя настоящий диод.