Transcript 电阻与非线性电阻的伏安特性的测量

伏安法测量电阻
物理实验中心
实 验 目 的
1. 学习伏安法测电阻时电流表内接、外接的条件；
2. 了解非线性电阻;
3. 掌握仪表的接入误差对测量结果的影响；
4. 学习数据处理和不确定度的计算。
目
录
一、概述
二、非线性电阻
三、实验内容
四、实验仪器
五、仪表的接入误差及对结果的影响
六、电表准确度对结果的影响
七、非线性电阻的应用
一、概述
伏安法测电阻是电阻测量的基本方法之一。
当一个原件两端加上电压时，元件内有电流通过
时，电压和电流之间存在着一定的关系。通过此
元件的电流随外加电压的变化曲线，称为伏安特
性曲线。从伏安特性曲线所遵循的规律，可以得
知该元件的导电特性。
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二、非线性电阻
1、什么是非线性电阻
2、热导体电阻特性简介
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1、什么是非线性电阻
非线性电阻的电流和电压之间不存在正比关系，
一般不能应用欧姆定律。如图所示：
如果仅考虑一小
段特性曲线，它可以看
成是直线。我们定义动
态电阻为：
U
r
I
I
U
利用动态电组，可以计算所考虑的曲线范围内
电压和电流的微小变化。
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2、热导体电阻特性简介
热导体电阻器在热状态下传导特别好，亦即其阻
值随温度的升高而减小。它们具有非常大的负温度系数，
因而也叫做NTC电阻器。
用来制造NTC电阻器的材料主要是半导体材料,包
括由氧化铁、氧化镍、氧化钴、钛化合物和特殊掺合物
组成的多晶系混合晶体。
为什么这类材料会有负的温度系数呢?这需要由半
导体材料的特性来解释。
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半导体材料的结构是一种共价键结构，这是一
种比较稳定的结构，在没有外来扰动的情况下是不存
在导电载流子的。但当有足够外界能量作用时，电
子就有可能摆脱共价键的束缚，形成载流子。热振动
可以使电子摆脱共价键的束缚，破坏共价键，形成电
子空穴对。随着温度的升高，越来越多的电子脱离它
的束缚键，由此，材料的传导性也越来越好。
半导体的电导率与温度的关系大致可以表示为：

  Ae
Eg
2 KT
其中的 Eg 是使电子摆脱共价键束缚所需的能量
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对于一定的半导体电阻元件，我们有：
R  Ce
Eg
2 KT
式中的系数 C 是与温度有关的参数，但变化不如指数
部分那么快。K 是波尔兹曼常数，T 是绝对温度。
如果对上式取对数，有：
ln R  ln C 
Eg
2 KT
可见半导体的电阻与绝对温度的倒数成指数关系，
其对数与温度的倒数成线性关系。
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三、实验内容
1． 测量阻值约500欧姆的线性电阻
的阻值
2. 测绘热敏电阻的伏安特性曲线
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四、实验仪器
本实验使用的仪器有:
1. 待测元件
2. WYJ30VIA型晶体管稳压电源
3. 电压表和毫安表
4. 滑线变阻器及导线
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1. 待测元件
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2. 稳压电源
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3. 电压表和毫安表
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4. 滑线变阻器及导线
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五、仪表的接入误差及对结果的影响
实验中使用的电路有对电流表内接和外接两种
A
V
内接
A
Rx
外接
V
Rx
不管采用哪一种联接都将产生接入（系统）误差。
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1、内接法的接入误差及修正
A
V
内接
Rx
采用这种方法测量，我们得到的电阻实际是
电流表内阻和待测电阻之和，即：
U
 Rx  rA
I
U
 rA
即： Rx 
I
需要对其进行修正。
2、外接法的接入误差及修正
A
外接
V
Rx
当采用外接法时，我们得到的实际上是
电压表内阻和待测电阻并联后的阻值，即：
Rx rv
U

I Rx  rv
U
修正后得到： Rx 
I  U / rv
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六、电表准确度对结果的影响
1、仪表的等级
2、等级和量程对测量结果的影响
3、测量结果的不确定度
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1、仪表的等级
仪表的误差限是仪表的主要特性，它决定了仪表
读数对被测量的实际值的响应程度，即准确度。仪表的
准确度等级是按相对额定误差来划分的。即电表的最大
绝对误差与满量程之比的百分数：
最大绝对误差
等级 
100%
量程
a
通常我们将仪表的等级用 表示。我国老的国家
表准为七个等级0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0，新
的标准增加了0.05，0.3，2.0，3.0四个级别。
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2、等级和量程对测量结果的影响
电表准确度的定义是最大绝对误差与满量程之比，
因此所使用的电表的等级和量程将直接影响测量结果。
例如：用一块0.5级，量程300V的表和一块1.0级，量程
100V的表，分别测量100V的电压。测量结果的相对误差
分别是:
300V  0.5%
E 0 .5 
 1 . 5%
100V
E1.0
100V  1.0%

 1.0%
100V
所以根据误差的要求，选取合适的仪表是十分重要的。
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3、测量结果的不确定度
在修正了系统误差后，根据有关不确定度的定
义我们可以得到测量结果的不确定度：
2
内接法：
外接法：
u ( R) 
U  u (U )   u ( I ) 

 

I  U   I 
2
U 2u 2 ( I )  I 2u 2 (U )
u ( R) 
( I  U / rV ) 4
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七、非线性电阻的应用
三类非线性电阻在实际应用中的作用不大相同,
这里简单的分别介绍:
1. 热导体非线性电阻的应用
2. 冷导体非线性电阻的应用
3. 压敏电阻的应用
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1. 热导体非线性电阻的应用
热导体电阻器广泛用于半导体电路的温度稳
定控制。在电路中，它们用来降低接通瞬态电流。
半导体电路在工作电流增大温度升高时会产
生工作电流漂移，而接决这种问题的办法之一就是
使用与温度有关的分压器。将与分压器联在一起热
导体电阻与晶体管外壳密结合。若晶体管外壳发热，
则NTC电阻也发热，其阻值减小，因此，在下方的分
压器支路上的总电阻也较小, 以此来接通瞬态电流，
进而控制晶体管。
它们同样适于用作温度传感器。
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2. 冷导体非线性电阻的应用
冷导体在冷态下的传导性特别好，亦即其阻值随温度
的上升而增大。冷导体具有很大的正温度系数(PTC)，因而
也叫做PTC电阻器。
PTC一般有两种工作状态：外部加热和自身加热
外加热时，PTC电阻器的温度由环境温度决定 ，常用
作温度传感器。例如将它装入电动机绕组和发电机绕组中，
当机器内部的温度显著升高而超过允许值，可以触发保护电
路。
内加热时，PTC电阻器的温度由外加电压和冷却条件
决定。常常用作液位报警器。如果液体接触PTC电阻器，则
会使PTC电阻器显著冷却，阻值将大大减小，填充过程便自
动中断。
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3. 压敏电阻的应用
压敏电阻器的阻值会随外加电压而变。这类电
阻器也称为VDR电阻器。
压敏电阻器适用于过压保护电路，这也是它的
主要用途。它们可作为保护电阻与元件并联，将过压分
路。压敏电阻器会使电压曲线和电流曲线变形。如
果将正弦电压加到压敏电阻器上，则将有非正弦电流
流过压敏电阻器,即正弦电流流过压敏电阻器，则在电
阻器两端将形成非正弦电压。这种变形持性被广泛用于
脉冲技术、电视技术和调控技术。
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