Опыт, страница 335 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

С помощью лабораторного оборудования соберите установку для исследования закона Ома для участка цепи. В качестве объекта исследования возьмите несколько разных полупроводниковых диодов. Для каждого из диодов постройте график зависимости силы тока от напряжения. Для каждого из диодов определите коэффициент выпрямления.

Данная работа представляет собой руководство по проведению лабораторного эксперимента по исследованию свойств полупроводниковых диодов.

1. Сборка установки для исследования

Целью данного этапа является сборка электрической цепи, которая позволит измерять зависимость силы тока, протекающего через диод, от напряжения, приложенного к нему.

Необходимое оборудование:

• Источник регулируемого постоянного напряжения.

• Несколько различных полупроводниковых диодов.

• Амперметр (или мультиметр в режиме амперметра).

• Вольтметр (или мультиметр в режиме вольтметра).

• Ограничивающий резистор (сопротивлением около 1 кОм для защиты диода).

• Соединительные провода и ключ.

Схема и порядок сборки:

Необходимо собрать цепь для снятия двух участков характеристики диода: прямой и обратной.

Прямое включение: Источник питания, ключ, ограничивающий резистор, амперметр и исследуемый диод соединяются последовательно. Вольтметр подключается параллельно диоду. Анод диода (обычно длинный вывод или вывод без метки) подключается к положительному полюсу источника, а катод (вывод с меткой в виде кольца) — к отрицательному.

Обратное включение: Для снятия обратной характеристики полярность подключения диода в цепи меняется на противоположную (анод к «-», катод к «+»).

Ответ: Для исследования свойств диода собрана электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных источника питания, ключа, резистора, амперметра и диода. Параллельно диоду подключен вольтметр для измерения падения напряжения на нем.

2. Построение графика зависимости силы тока от напряжения

Этот график называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Он показывает нелинейную зависимость тока от напряжения для полупроводникового диода, в отличие от линейного закона Ома для резисторов.

Порядок проведения измерений:

1. Прямая ветвь ВАХ: Соберите схему для прямого включения. Установите ручку регулятора напряжения на источнике питания в минимальное положение. Замкните ключ. Плавно увеличивая напряжение, снимайте показания вольтметра ($\text{U}$) и амперметра ($\text{I}$). Данные заносите в таблицу. Важно сделать больше измерений в области, где ток начинает резко расти (обычно при напряжении 0.5-0.7 В для кремниевых диодов).

Пример таблицы для прямой ветви:
№ | U, В | I, мА
--|------|------
1 | 0.1 | 0
2 | 0.2 | 0
3 | 0.3 | 0
4 | 0.4 | 0.1
5 | 0.5 | 0.8
6 | 0.6 | 5.2
7 | 0.7 | 25.6

2. Обратная ветвь ВАХ: Измените полярность подключения диода на обратную. Так как обратные токи очень малы (порядка микроампер), переключите амперметр на соответствующий диапазон измерений. Плавно увеличивайте обратное напряжение (на графике его откладывают со знаком «минус») и записывайте значения очень малого обратного тока. Не превышайте предельно допустимое обратное напряжение для диода.

Пример таблицы для обратной ветви:
№ | U, В | I, мкА
--|------|-------
1 | -1.0 | 0.5
2 | -2.0 | 0.5
3 | -5.0 | 0.6

3. Повторение для других диодов: Проведите аналогичные измерения для всех имеющихся в наличии диодов.

Построение графика:

По данным из таблиц для каждого диода постройте график в координатах ($\text{U}$, $\text{I}$). По оси абсцисс откладывайте напряжение $\text{U}$, по оси ординат — силу тока $\text{I}$. Положительные значения $\text{U}$ и $\text{I}$ соответствуют прямой ветви, отрицательные — обратной. Соедините точки плавной линией. Из-за огромной разницы в значениях прямого и обратного токов, обратную ветвь часто строят в увеличенном масштабе по оси тока.

Ответ: Для каждого диода по результатам измерений построен график зависимости силы тока от напряжения (вольт-амперная характеристика), который имеет ярко выраженный нелинейный характер и демонстрирует одностороннюю проводимость диода.

3. Определение коэффициента выпрямления

Коэффициент выпрямления является количественной мерой односторонней проводимости диода. Он показывает, во сколько раз ток в прямом направлении больше тока в обратном направлении при одинаковом по модулю приложенном напряжении.

Расчет:

Коэффициент выпрямления $\text{k}$ рассчитывается по формуле:

$k = \frac{I_{пр}}{I_{обр}}$

где $I_{пр}$ — прямой ток при напряжении $\text{U}$, а $I_{обр}$ — обратный ток при напряжении $-U$.

Порядок определения:

1. Выберите определенное значение напряжения $U_0$, для которого у вас есть измерения как прямого, так и обратного тока (например, $U_0 = 1$ В, если измерения проводились до такого значения).

2. Из таблицы или по графику определите значение прямого тока $I_{пр}$ при $U = +U_0$.

3. Из таблицы или по графику определите модуль значения обратного тока $I_{обр}$ при $U = -U_0$.

4. Рассчитайте отношение $I_{пр}/I_{обр}$. Перед расчетом убедитесь, что оба значения тока выражены в одинаковых единицах (например, в Амперах).

Пример расчета:

Пусть для одного из диодов при $|U| = 1$ В получены следующие данные:

Прямой ток $I_{пр} = 40 \text{ мА} = 40 \cdot 10^{-3}$ А.

Обратный ток $I_{обр} = 2 \text{ мкА} = 2 \cdot 10^{-6}$ А.

Тогда коэффициент выпрямления для данного диода при напряжении 1 В равен:

$k = \frac{40 \cdot 10^{-3} \text{ А}}{2 \cdot 10^{-6} \text{ А}} = 20 \cdot 10^3 = 20000$

Этот расчет необходимо провести для каждого исследуемого диода.

Ответ: Для каждого из диодов определен коэффициент выпрямления путем деления величины прямого тока на величину обратного тока при одинаковом по модулю значении напряжения; этот коэффициент является числовой характеристикой выпрямляющих свойств диода.