伏安特性

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

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实验目的

测量电阻、灯泡和二极管的伏安特性，并比较它们的曲线形状。

实验装置

一个 3 V 电压源通过“+”（左）和“−”（右）两根母线给三条支路供电；每条支路都有一只电流表和一只并联在元件两端的电压表。上面是一个 100 Ω 电阻，中间是一只 6 V / 3 W 灯泡，下面是一个二极管和一个 100 Ω 保护电阻。

实验步骤

1. 以 1 V 为步长，把电压源的电压从 0 调到 6 V。
2. 每一步都记录三个元件的“电压—电流”数据对。
3. 画出三幅 \(I(U)\) 图像。
4. 把二极管反接：对调其两个接线柱（阳极和阴极）上两根电缆的插头，然后重复测量。

预期结果

在 3 V 时：电阻约为 2.78 V、28 mA；灯泡约为 2.74 V、314 mA；二极管约为 0.61 V、22 mA（在这个电流下，真实的硅二极管电压略高一些，约 0.7 V）。电阻的图像是一条直线。灯泡的曲线是弯曲的：灯丝变热，电阻增大，在 6 V 时约为 12 Ω。电压低于 0.5 V 时二极管几乎不导电；超过这个值后电流急剧上升，而它两端的电压保持在约 0.6～0.7 V。二极管反接时，二极管中的电流为零。

问题

1. 为什么灯泡的电阻随电压升高而增大？
2. 为什么要给二极管串联一个电阻？

答案

1. 电流使灯丝发热，而钨的电阻随温度升高而增大：电压越高，灯丝越热。在 3 V 时灯泡的电阻为 2.74 V / 314 mA ≈ 8.7 Ω，在 6 V 时约为 12 Ω，而冷灯丝的电阻只有正常发光时的约十五分之一。
2. 电压超过约 0.6 V 后，二极管的电流上升得非常陡，二极管本身几乎不能限制电流。100 Ω 的电阻承担其余的电压并决定电流的大小，在 3 V 时约为 22 mA；如果没有它，限制电流的就只有电压源 0.5 Ω 的内阻、电流表和电缆，电流会达到几安培，烧毁真实的二极管。