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现行人教版高一物理教材中指出“伏安特性曲线为直线的电学元件为线性元件”。但对部分导体材料而言,在研究其电流随电压变化的过程中不可避免地受到温度对其的影响,而真正导致其伏安特性曲线不是直线的原因是温度而非电压。因此,如果仅从伏安特性的形状而忽视伏安特性的成因去判别“线性元件”会导致误判。
在研究导体的伏安特性时,通常取电压(U)为横轴,电流强度(I)为纵轴来研究通过导体的电流强度随导体两端电压的变化规律。用这种方法作出的图线即称为导体的伏安特性曲线。
一般说来,导体的电阻特性应由导体的自身因素决定。不同导体的电阻特性(用电阻率描述)差异不同。有一类导体,它们的电阻特性主要由自身的材质和几何尺寸决定。对于这一类导体,根据电阻定律,只要它的几何尺寸一定,它的电阻也将保持不变,这类导体主要以金属材料导体为代表,电解质的电阻特性也与金属材料相近。还有一类材料,它们的导电性能不如金属,但在特定条件下,它们也能成为很好的导体。这类材料在电阻特性方面有一个很大的特点就是,它们的电阻不但与自身的材料和几何尺寸有关,还与加在材料两端的电压有关,甚至电压对其电阻的影响作用大大超过自身因素。如半导体类和气体放电管类器件就是这类材料的典型代表。
对于化学成份确定的导体材料,其导电性能主要受温度和电压的影响。
导体材料在导电时,其内部均有自由电荷的定向移动。由分子动理论的知识可知,材料内部微粒的复杂运动将导致材料的温度升高。所以,几乎所有材料在导电时其温度都会发生变化。温度的变化对材料的电阻特性的影响对不同的材料而言差异很大,例如金属材料对温度的敏感性要远远弱于半导体材料。
金属材料呈正温度系数特性,即金属的电阻率随温度的升高而增大。半导体材料的温度系数特性正好与金属材料的相反。也有少量金属材料的电阻率随温度变化不大,这类材料的伏安特性曲线就接近标准的直线,其伏安特性的图像如同正比例函数的图像。在一定精度要求内,此类材料常用来制成标准电阻。
不论是什么材料的导体,由于温度的影响,其导电时的电阻均不会保持不变,只不过温度对不同材料的电阻的影响有大有小而已。由于温度对电阻的影响,即使此时电压并未发生变化,但通过导体的电流仍然发生变化。按照描点法作伏安特性图像的思路,电流坐标与电压坐标要一一对应,且电流应是电压的函数值,但在此时,电流却同时受到电压和温度的双重影响,而温度的影响又未能在伏安特性曲线中体现出来。例如高中物理中,研究小灯泡的伏安特性得到的并不是直线而为曲线。该图线的弯曲原因是因为温度而非因为电压。
对半导体类和气体放电管类器件而言,其电阻特性不仅受温度的显著影响,还与加在其两端的电压有关,在电压大到一定范围时,电压对其电阻特性的影响要远远超过由温度所致的影响。例如,半导体材料由于其结构的特殊性,其导电性能主要受自由电荷与空穴的浓度和PN结(半导体二极管的基本结构)的厚度控制。而PN结的厚度又受材料两端的电场强度(与外加电压有关)控制。这样,半导体材料在不同的电压下,导电性能变化明显。电压足够高时,半导体材料的电阻会突然大幅度减少,此时半导体材料的导电能力急剧增强。对应此时的伏安特性曲线将出现大的偏折,伏安特性也为曲线。半导体材料的伏安特性曲线弯曲的主要原因是电压而非温度。
由此可见,导体的伏安特性曲线弯曲的原因不是唯一的只受电压影响,有时在电压变化的过程中同时受到了温度的影响。
导体的伏安特性曲线反映的是导体的电流随电压的变化规律。按照人教版《全日制普通中学教科书物理》第十四章第一节之定义,伏安特性曲线为直线的电学元件为线性元件,伏安特性曲线不是直线的电学元件则叫做非线性元件。教材上的定义本身并无错误,但在物理意义上还存在由于温度因素所导致的伏安特性曲线的弯曲,此时曲线的弯曲并非源于电压,故由此断定该元件为非线性元件是不妥的。实际上,对小灯泡而言,其不同温度下的电压、电流强度的关系都是符合部分电路欧姆定律的,在整个中学阶段,我们也一直把小灯泡当作纯电阻元件,它在不同温度下都是线性元件。而象半导体材料那样,由于电压的原因导致伏安特性不是直线的才是真正的非线性元件。
在研究导体的伏安特性时,通常取电压(U)为横轴,电流强度(I)为纵轴来研究通过导体的电流强度随导体两端电压的变化规律。用这种方法作出的图线即称为导体的伏安特性曲线。
一般说来,导体的电阻特性应由导体的自身因素决定。不同导体的电阻特性(用电阻率描述)差异不同。有一类导体,它们的电阻特性主要由自身的材质和几何尺寸决定。对于这一类导体,根据电阻定律,只要它的几何尺寸一定,它的电阻也将保持不变,这类导体主要以金属材料导体为代表,电解质的电阻特性也与金属材料相近。还有一类材料,它们的导电性能不如金属,但在特定条件下,它们也能成为很好的导体。这类材料在电阻特性方面有一个很大的特点就是,它们的电阻不但与自身的材料和几何尺寸有关,还与加在材料两端的电压有关,甚至电压对其电阻的影响作用大大超过自身因素。如半导体类和气体放电管类器件就是这类材料的典型代表。
对于化学成份确定的导体材料,其导电性能主要受温度和电压的影响。
导体材料在导电时,其内部均有自由电荷的定向移动。由分子动理论的知识可知,材料内部微粒的复杂运动将导致材料的温度升高。所以,几乎所有材料在导电时其温度都会发生变化。温度的变化对材料的电阻特性的影响对不同的材料而言差异很大,例如金属材料对温度的敏感性要远远弱于半导体材料。
金属材料呈正温度系数特性,即金属的电阻率随温度的升高而增大。半导体材料的温度系数特性正好与金属材料的相反。也有少量金属材料的电阻率随温度变化不大,这类材料的伏安特性曲线就接近标准的直线,其伏安特性的图像如同正比例函数的图像。在一定精度要求内,此类材料常用来制成标准电阻。
不论是什么材料的导体,由于温度的影响,其导电时的电阻均不会保持不变,只不过温度对不同材料的电阻的影响有大有小而已。由于温度对电阻的影响,即使此时电压并未发生变化,但通过导体的电流仍然发生变化。按照描点法作伏安特性图像的思路,电流坐标与电压坐标要一一对应,且电流应是电压的函数值,但在此时,电流却同时受到电压和温度的双重影响,而温度的影响又未能在伏安特性曲线中体现出来。例如高中物理中,研究小灯泡的伏安特性得到的并不是直线而为曲线。该图线的弯曲原因是因为温度而非因为电压。
对半导体类和气体放电管类器件而言,其电阻特性不仅受温度的显著影响,还与加在其两端的电压有关,在电压大到一定范围时,电压对其电阻特性的影响要远远超过由温度所致的影响。例如,半导体材料由于其结构的特殊性,其导电性能主要受自由电荷与空穴的浓度和PN结(半导体二极管的基本结构)的厚度控制。而PN结的厚度又受材料两端的电场强度(与外加电压有关)控制。这样,半导体材料在不同的电压下,导电性能变化明显。电压足够高时,半导体材料的电阻会突然大幅度减少,此时半导体材料的导电能力急剧增强。对应此时的伏安特性曲线将出现大的偏折,伏安特性也为曲线。半导体材料的伏安特性曲线弯曲的主要原因是电压而非温度。
由此可见,导体的伏安特性曲线弯曲的原因不是唯一的只受电压影响,有时在电压变化的过程中同时受到了温度的影响。
导体的伏安特性曲线反映的是导体的电流随电压的变化规律。按照人教版《全日制普通中学教科书物理》第十四章第一节之定义,伏安特性曲线为直线的电学元件为线性元件,伏安特性曲线不是直线的电学元件则叫做非线性元件。教材上的定义本身并无错误,但在物理意义上还存在由于温度因素所导致的伏安特性曲线的弯曲,此时曲线的弯曲并非源于电压,故由此断定该元件为非线性元件是不妥的。实际上,对小灯泡而言,其不同温度下的电压、电流强度的关系都是符合部分电路欧姆定律的,在整个中学阶段,我们也一直把小灯泡当作纯电阻元件,它在不同温度下都是线性元件。而象半导体材料那样,由于电压的原因导致伏安特性不是直线的才是真正的非线性元件。