伏安特性曲线性质

线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线一、实验原理当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之比称为该元件的电阻。

若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例，则伏安特性曲线为一条直线，该类元件称为线性元件。

若元件两端的电压与通过它的电流不成比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。

一般金属导体的电阻是线性电阻，它与外加电压的大小和方向无关，其伏安特性是一条直线(见图1)。

从图上看出，直线通过一、三象限。

它表明，当调换电阻两端电压的极性时，电流也换向，而电阻始终为一定值，等于直线斜率的倒数VR。

I常用的晶体二极管是非线性电阻，其电阻值不仅与外加电压的大小有关，而且还与方向有关。

下面对它的结构和电学性能作一简单介绍。

图1线性电阻的伏安特性图2晶体二极管的p-n结和表示符号晶体二级管又叫半导体二极管。

半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。

如果在纯净的半导体中适当地掺入极微量的杂质，则半导体的导电能力就会有上百万倍的增加。

加到半导体中的杂质可分成两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生许多带负电的电子，这种半导体叫电子型半导体 (也叫n型半导体)；另一种杂质加到半导体中会产生许多缺少电子的空穴(空位)，这种半导体叫空穴型半导体 (也叫p型半导体)。

晶体二极管是由两种具有不同导电性能的n型半导体和p型半导体结合形成的p-n结构成的。

它有正、负两个电极，正极由p型半导体引出，负极由n型半导体引出，如图2(a)所示。

p-n结具有单向导电的特性，常用图2(b)所示的符号表示。

关于p-n结的形成和导电性能可作如下解释。

图3 p-n结的形成和单向导电特性如图3(a)所示，由于p区中空穴的浓度比n区大，空穴便由p区向n区扩散；同样，由于n区的电子浓度比p区大，电子便由p区扩散。

随着扩散的进行，p区空穴减少，出现了一层带负电的粒子区(以Ө表示)；n区的电子减少，出现了一层带正电的粒子区(以⊕表示)。

实验一：测量小灯泡的伏安特性曲线一、实验原理根据伏安法测电阻，测出多组U-I值，然后做出U-I图像。

线性元件的伏安特性曲线是一条过原点的直线，图像的斜率是线性元件的电阻；非线性元件的伏安特性曲线是一条曲线。

二、实验的考察层次层次1：仪器的读数（电压表和电流表的读数）层次2：实验电路图。

滑动变阻器采用分压接法，电流表采用外接法。

层次3：仪器的选择：滑动变阻器选小电阻。

层次4：数据处理。

设计坐标，做U-I图像，或者I-U图像，计算电阻。

层次5：电表量程不够时需要改装电表（改装电压表所需的电阻与电压表内阻几乎相当，改装电流表所需的电阻与电流表内阻几乎相当）【2016 天津与2012 四川相似度很高】三、高考题呈现的特点1.主要考察了电路图的分压接法电路图及实物图的连接。

2.仪器的选择问题，滑动变阻器的选择【电压表根据小灯泡的额定电压选择，电流表根据小灯泡的额定电流选择，滑动变阻器选小电阻】3.内外接法的误差分析4.根据测出的数据做U-I图像（注意图像都是曲线）【典型立体剖析】考点1：实验原理和仪器选择★★[例1]在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材有：A．小灯泡：规格为“3.8 V0.3 A”B．电流表：量程0～0.6 A，内阻约为0.5 ΩC．电流表：量程0～3 A，内阻约为0.1 ΩD．电压表：量程0～5 V，内阻约为5 kΩE．滑动变阻器：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 AF．电池组：电动势6 V，内阻约为1 ΩG．开关一只，导线若干(1)为了使测量尽可能地准确，需要使小灯泡两端电压从0逐渐增大到3.8 V且能方便地进行调节，因此电流表应选________．(填器材前选项)(2)根据你选用的实验电路，将如图所示的器材连成实物电路．答案(1)B(2)见解读图解读(1)因小灯泡的额定电流为0.3 A，为减小读数误差，应让指针偏角大一些，故电流表选B.(2)由电流表外接和滑动变阻器采用分压式接法知，电路图如图甲所示，由电路图连接的实物电路如图乙所示．★★[例2]有一个小灯泡标有“4 V 2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I－U图线．现有下列器材供选择：A．电压表(0～5 V，内阻10 kΩ)B．电压表(0～15 V，内阻20 kΩ)C．电流表(0～3 A，内阻1 Ω)D．电流表(0～0.6 A，内阻0.4 Ω)E．滑动变阻器(10 Ω，2 A)F．滑动变阻器(500 Ω，1 A)G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干(1)实验时，选用图中甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.(2)实验中所用电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示)．(3)把图中所示的实验器材用实线连接成实物电路图．解读因实验目的是要描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要多次改变小灯泡两端的电压，故采用如图甲所示的分压式电路合适，这样电压可以从零开始调节，且能方便地测多组数据．因小灯泡额定电压为4 V，则电压表选0～5 V的A而舍弃0～15 V的B，小灯泡的额定电流I＝0.5 A，则电流表只能选D.滑动变阻器F的最大阻值远大于小灯泡内阻8 Ω，调节不方便，故舍去．小灯泡内阻为电流表内阻的80.4＝20倍，电压表内阻是小灯泡的10×1038＝1 250倍，故电流表采用了外接法．答案(1)描绘小灯泡的I—U图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据(2)A D E (3)如下图所示．考点2：数据处理及误差分析★★★【例3】图中所示器材为某同学测绘额定电压为2.5V的小灯泡的I-U特性曲线的实验器材．（1）根据实验原理，用笔画线代替导线，将图1中的实验电路图连接完整．（2）开关S闭合之前，图1中滑动变阻器的滑片应该置于_____端．（选填“A端”、“B端”或“AB中间”）（3）实验中测得有关数据如下表：根据表中的实验数据，在图2中画出小灯泡的I-U特性曲线．【说明】：1.实验原理图2.数据描点，画图★★【例4】用如图甲所示的器材做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验．小灯泡标有“6 V 3 W”的字样，铅蓄电池的电动势为8 V，滑动变阻器有两种规格：R1标有“5 Ω2 A”，R2标有“100 Ω20 mA”．各电表的量程如图甲所示．测量时要求小灯泡两端的电压从零开始，并测多组数据．(1)滑动变阻器应选用__________；分压接法选小电阻(2)用笔画线代替导线，把图甲中的实物连成实验电路(有部分连线已接好)；(3)测量时电压表示数如图乙所示，则U＝________ V；(4)某同学根据实验测量得到的数据，作出了如图丙所示的I－U图像．分析图像不是直线的原因：________________________________________________________________________________________________________________________________________________.答案(1)R1(2)实验电路如图所示(3)4.0(4)小灯泡两端的电压逐渐增大时，灯丝温度升高，灯丝的电阻(或电阻率)变大解读(1)由于电压要从零开始调节，所以滑动变阻器应采用分压式接法，如果选用R2，滑动变阻器中的电流会超过20 mA，故选R1.(2)实验电路中电流表外接，滑动变阻器采用分压式接法．(4)小灯泡两端的电压逐渐增大时，灯丝温度升高，灯丝的电阻(或电阻率)变大．【高考题赏析】1.★【2009 天津 3 6】为探究小灯泡L的伏安特性，连好如图甲所示的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大，直到小灯泡正常发光。

（一）线性电阻的伏安特性曲线由图可知，伏安特性曲线的斜率为0.9944，故实验测得线性电阻阻值为1/994.4=1005.6Ω。

实际电阻的标称值为1000Ω，相对误差为E=(|1000-1005.6|/1000)*100%=0.56%。

误差原因：实验中采用电流表内接法，电压表的读数包括了电流表的压降，因此计算所得电阻为电流表内阻和线性电阻之和，偏大。

（二）半导体二极管伏安特性曲线 1、正向特性U/V 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 I/mA 1.992 3.976 5.956 7.953 9.947U/V 0.20 0.40 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 0.70 I/mA0.004 0.004 0.013 0.023 0.042 0.084 0.173 0.3592、反向特性U/V 2.00 4.00 6.00 6.20 6.40 6.60 6.80 I/mA 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 8.034（三）理想电压源伏安特性曲线I/mA 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0U/V 10.032 10.032 10.031 10.030 10.030（四）实际电压源伏安特性曲线I/mA 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0U/V 9.406 8.853 8.545 7.842 7.421由公式U=Us-IRs，伏安特性曲线的斜率为电源内阻，可求得实际电源内阻49.8Ω.实验中，实际内阻为51.2Ω，相对误差为E=|51.2-51|/51*100%=0.39%。

误差原因：实验中采用电流表外接法，电流表的读数包括了电压表中的电流，因此，根据公式U=Us-IRs计算所得电阻值偏小。

二、电源的功率、效率及三类曲线【知识要点】一、导体的伏安特性曲线导体中的电流跟电压的关系用图线表示出来，就称为导体的伏安特性曲线。

分析时要注意以下两点：（如图1）1、注意I-U 曲线和U-I 曲线的区别。

（斜率的含义不同）2、对于线性元件伏安特性曲线是 ，对于非线性元件伏安特性曲线是 或 直线。

二、电源的功率、效率1、闭合电路中各部分的功率（1）电源的功率（电源的总功率）P 总= （2）电源的输出功率P 出= （3）电源内部消耗的功率P 内= 2、电源的效率：η= =3、若外电路为纯电阻电路（1）电源输出功率随外电阻变化的图线如图2所示。

由图可知，当内外电阻相等时，电源的输出功率最大，为m P = 。

由图像还可知，当R<r 时，若R 增加，则P 出增大；当R>r 时，若R 增大，则P 出减小。

对应于电源的非最大输出功率可以有两个不同的外电阻R l 和R 2使得电源输出功率相等，且； （2）电源的效率随外电路电阻的增大而增大，当R=r 时效率为 。

三、电源的伏安特性曲线如图3所示，路端电压U 与电流I 的关系曲线，也就是U =E —Ir 式的函数图象，称为电源的伏安特性曲线。

当电路断路即I ＝0时，纵坐标的截距为电动势E ；当外电路电压为U ＝0时，横坐标的截距I 短=E/r 为短路电流；图线斜率的绝对值为电源的内阻。

四、两类曲线的综合如图4中a 为电源的U-I 图象；b 为外电路电阻的U-I 图象；两者的交点坐标表示该电阻接入电路时电路的总电流和路端电压；该点和原点之间的矩形的面积表示输出功率；a 的斜率的绝对值表示电源内阻的大小；b 的斜率的绝对值表示外电阻的大小；当两个斜率相等时，即内、外电阻相等时图中矩形面积最大，即输出功率最大，可以得出此时路端电压是电动势的一半，电流是最大电流的一半。

图3图UI EU 0 M （I 0,U 0）β α b a NI 0 I m图 4IO U O IU1 2 1 2图1212r R R【专项练习】1、实验室用的小灯泡灯丝的I-U特性曲线可用以下哪个图象来表示（）2、下图所列的4个图象中，最能正确地表示家庭常用的白炽电灯在不同电压下消耗的电功率P与电压平方U 2之间的函数关系的是以下哪个图象（）3、将阻值为R且不随温度而变化的电阻接在电压为U的电源两端，则描述其电压U、电阻R及流过电流I间的关系图象中，正确的（）4、两电阻R1，R2的伏安特性曲线如图所示，可知两电阻的大小之比R1:R2等于（）A、1:3B、3:1 C 、D 、5、如图所示，电源的电动势是6V，内阻是0.5Ω,小电动机M的线圈电阻为0.5Ω，限流电阻R0为3Ω，若电压表的示数为3V，试求：（1）电源的总功率和电源的输出功率（2）电动机消耗的功率和电动机输出的机械功率6、如图，E =6V，r =4Ω，R1=2Ω，R2的最大值为10Ω。

伏安特性曲线伏安特性曲线是描述电子器件的电流与电压之间关系的图像，它是材料特性和电流运动规律的重要表征。

通过研究伏安特性曲线，可以了解电子器件的工作方式、性能指标以及其在电路中的应用。

本文将详细介绍伏安特性曲线的概念、性质和应用，并介绍一些常见的电子器件的伏安特性曲线。

一、伏安特性曲线的概念及基本性质伏安特性曲线又称为IV特性曲线，是描述电子器件电流与电压关系的图像。

它通常是电流I作为横坐标，电压V作为纵坐标绘制的曲线。

伏安特性曲线反映了电流随电压的变化规律，可以从中获得电子器件的许多重要信息。

伏安特性曲线的基本性质有以下几点：1. 伏安特性曲线一般呈现出非线性关系，即电流与电压之间的关系不是简单的比例关系。

这是因为电流的变化过程受到力学、热力学等多种因素的影响。

2. 伏安特性曲线一般具有对称性，即在正负电压下电流基本呈现出相同的变化趋势。

这是由于正负电压下的电流运动规律相似。

3. 伏安特性曲线的形状与电子器件的材料和结构有关。

不同材料和结构的器件具有不同的伏安特性曲线形状。

二、常见电子器件的伏安特性曲线1. 二极管的伏安特性曲线：二极管是一种两端具有PN结的器件。

在正向偏置情况下，二极管的伏安特性曲线呈现出指数关系。

在反向偏置情况下，二极管的伏安特性曲线呈现出较小的电流变化。

2. 晶体管的伏安特性曲线：晶体管是一种三端器件，主要分为P 型和N型两种类型。

晶体管的伏安特性曲线在不同工作区域上有所不同，包括截止区、放大区和饱和区。

3. MOSFET的伏安特性曲线：MOSFET是一种金属氧化物半导体场效应晶体管。

MOSFET的伏安特性曲线可以分为三个区域，包括截止区、增强区和饱和区。

4. 电阻器的伏安特性曲线：电阻器的伏安特性曲线呈现出线性关系，即电流与电压之间成正比。

这是因为电阻器的电流和电压之间满足欧姆定律。

三、伏安特性曲线的应用伏安特性曲线在电子器件的设计和应用中起着重要作用。

以下是伏安特性曲线的一些应用：1. 设计电路：通过研究伏安特性曲线，可以确定电子器件的工作区域，帮助设计出合适的电路。

伏安特性曲线伏安特性曲线是加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线，u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。

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I-U图像，这种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。

快速导航目录∙1基本定义∙2存在原理∙3实验举例∙4实验方法∙5实验原理∙6参考资料1基本定义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。

2存在原理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。

如下图所示。

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。

扩散电容：扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同，这种电容效应称为Cd3实验举例研究小灯泡伏安特性曲线方法:【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。

伏安特性曲线基本定义二极管伏安特性曲线导体A、B的伏安特性曲线定义：在实际生活中，常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U，这样画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线。

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。

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。

实验例子研究小灯泡伏安特性曲线方法:【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计算小灯泡的电功串，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。

电子元件的伏安特性的测定当一个电子元件两端加上电压，元件内有电流通过时，电压与电流之间便有着一定的关系．通过此元件的电流随外加电压的变化关系曲线，称为伏安持性曲线．从伏安特性曲线所遵循的规律，即可得知该元件的导电特性．若元件的伏安特性曲线呈直线，称为线性电阻；若呈曲线，称为非线性电阻。

非线性电阻的伏安特性所反映出来的规律总是与一定的物理过程相联系的。

利用非线性元件的特性可以研制各种新型的传感器、换能器，这些器件在温度、压力、光强等物理量的检测和自动控制方面都有广泛的应用。

对非线性电阻伏安特性的研究，有助于加深对有关的物理过程、物理规律及其应用的理解和认识。

【实验目的】1. 了解线性电阻、非线性电阻的伏安特性；2．掌握用伏安法测电阻时电流表内接、外接的条件；3．掌握电表量程的选择及读数。

【实验原理】1．伏安特性曲线常用的线绕电阻、炭膜电阻和金属电阻等，它们都具有以下的共同特性：即加在电阻两端的电压U与通过它的电流I成正比（忽略电流热效应对阻值的影响）。

元件的伏安特性曲线呈直线，如图2.5-1所示。

具有这种特性的电阻元件称为线性电阻元件。

对于热敏电阻、晶体二极管等，这类元件的特点是：加在元件两端的电压U与通过它的电流I的比值不是一个定值，元件的伏安特性曲线呈曲线，如图2.5-2所示。

这类电阻元件称为非线性电阻元件。

它的电阻定义为R＝dU/dI，由曲线的斜率求得。

晶体二极管是典型的非线性元件，通常用符号其正向电阻只有几欧姆到几百欧姆，而反向电阻却在几千欧姆以上。

如图2.5-2中所示，当二极管加正向电压时，管子呈低阻状态，在OA段，外加电压不足以克服P-N结内电场对多数载流子的扩散所造成的阻力，正向电流较小，二极管的电阻较大。

在AB段，外加电压超过阈值电压（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V）后，内电场大大削弱，二极管的电阻变得很小（约几十欧姆），电流迅速上升，二极管呈导通状态。

相反，若二极管加上反向电压时，当电压较小时，反向电流很小，在曲线OC段，管子呈高阻状态（截止）。

2.4 晶体管伏安特性曲线各极电压与电流之间的关系-------外部特性各极电压：V BE 、V CB 、V CE ，由于V BE + VCB = VCE ，所以两个是独立的。

各极电流：I E 、I B 、I C 。

由于I B + IC = IE ，所以两个是独立的。

一、共E 输入特性曲线共E ：输入：I B 、V BE 。

输出：I C 、V CE 。

共E 输入特性曲线：当V CE 维持不同的定值，输入电流I B 随输入电压V BE 变化的特性1(CE B E BE V I f V =定值V BE 是自变量 I B 是因变量 V CE 是参变量测试原理图：是一族曲线，每根都类似二极管的伏安特性曲线。

特点：（1）当V CE = 0时，两PN 结并联，I B 较大（2）当V CE 从0→0.3V 时，曲线右移。

（3）当V CE >0.3V后，曲线基本重合（V CE 的影响很小），不完全重合的原因：基区宽度调制效应。

当V CE ↑，集电结空间电荷区宽度↑，基区宽度↓，复合几率↓，I B ↓。

实际影响很小，所以一般只画一根。

（4）存在发射结正向导通电压V BE(on ,类似二极管正向导通电压V D(on 。

即发射结正向导通时，不管I B 多大，V BE = VBE(on 基本不变（分析外电路时）。

(0.60.7:(0.60.7 BE on V NPNSi V V PNP ⎧=⎨-⎩例：如右上图求I B 。

等效电路如右下图(BB BE on B BV V I R -=（5）反向特性 V BE <0 (NPN发射结反偏，集电结反偏反向电流 I B =－（I EBO + ICBO ）很小 I EBO ：发射结反向饱和电流I CI C I V V V VV BE CE CECE B=0=0.3V=10V(BRBEOCBBCCR V V BBBB BE(onR V V（6）击穿特性当反向电压大到V （BR ）BEO 时，反向电流↑↑ 二、共E 输出特性曲线（P59）当I B 维持不同的定值，输出电流I C 随输出电压V CE 变化的特性2(C E CE I f V =B I 定值分四个区：放大区、饱和区、截止区、击穿区1、放大区：发射结正偏，集电结反偏0, 0BE CB V V >>( CB CE BE CE BE BE on V V V V V V =-∴>=特点：（1）满足C B CEO B I I I I =+≈， I B 对I C 有正向控制作用（2）当I B 是等间隔时，曲线是平行等距的。