Warto przeczytać

Charakterystyka prądowo‑napięciowa to zależność natężenia prądu płynącego przez badany element, od napięcia przyłożonego do jego końców. Służy ona prezentacji własności elektrycznych tego elementu w celu wykorzystania ich do budowy obwodów. Charakterystykę tę najczęściej przedstawia się w formie wykresu, ponieważ na wykresie dobrze widać, jak zmienia się natężenie prądu płynącego przez badany element, w zależności od przyłożonego napięcia.

Charakterystykę taką sporządza się zmieniając wartość oraz kierunek przyłożonego napięcia i rejestrując wartość oraz kierunek otrzymanych wartości natężenia prądu. Więcej o doświadczalnych metodach badania elementów można przeczytać w e‑materiale „Jak doświadczalnie wyznaczyć charakterystykę prądowo napięciową elementu obwodu”.

Charakterystyka może być przedstawiona za pomocą tabeli (Rys.1.) lub wykresu (Rys.2. i Rys.3.).

Re0VTSyBECCq7

Rys. 1. Na rysunku przedstawiono dwie tabele. W pierwszym wierszu pierwszej tabeli znajduje się słowo „opornik”, a w pierwszym wierszu drugiej „żarówka”. Pod pierwszym wierszem w obu przypadkach znajdują się dwie kolumny. Jedna opisana jest wielką literą U i zawiera wartości napięcia wyrażone w woltach. Druga oznaczona jest wielką literą I oraz zawiera wartości natężenia prądu w miliamperach. W tabelach znajduje się kilkanaście wartości napięcia przyłożonego do opornika lub żarówki oraz odpowiadające im natężenie przepływającego prądu.
Opornik
1 wartość 10,9
2 wartość 22,6
3 wartość 31,6
4 wartość 42,2
5 wartość 53,7
6 wartość 63,5
7 wartość 73,6
8 wartość 82,7
9 wartość 93,4
10 wartość 102,9
11 wartość 113,3
12 wartość 122,2
13 wartość 131,7
14 wartość 143,3
15 wartość 153,6
16 wartość 163,3
17 wartość 173,6
18 wartość 182,5
19 wartość 192,8
Żarówka
0,08 wartość 10,9
0,16 wartość 17,3
0,38 wartość 23,5
0,60 wartość 28,0
1,30 wartość 42,2
1,72 wartość 50,3
2,21 wartość 57,4
2,73 wartość 64,0
3,50 wartość 74,9
4,44 wartość 84,3
5,12 wartość 91,0
6,34 wartość 102,6
7,46 wartość 114,2
8,52 wartość 121,7
9,33 wartość 127,0
9,88 wartość 131,6
10,68 wartość 137,4
11,60 wartość 144,4

RQBlWzXUDmu1a

Rys. 2. Na rysunku przedstawiono wykres. Oś poziomą wykresu opisano wielką literą U. Przy literze U w nawiasie kwadratowym podano jednostkę wielką literę V, co oznacza wolty. Oś pionową wykresu opisano wielką literą I. Przy literze I w nawiasie kwadratowym podano jednostkę mała litera m i wielka litera A, co oznacza miliampery. Oś pozioma wykresu zawiera wartości od zera do ośmiu woltów, a oś pionowa od zera do stu sześćdziesięciu miliamperów. Na wykresie zaznaczono punkty odpowiadające wartościom dla opornika z tabeli na rysunku 1. Zaznaczono również niepewności pomiarowe, za pomocą pionowych i poziomych linii wychodzących z danego punktu. Wraz ze wzrostem napięcia rośnie natężenie prądu. Punkty na wykresie układają się w linię prostą, co podkreślono, rysując przerywaną linię przechodzącą przez punkty. Wartości 8 wolt odpowiada natężenie prądu 82 przecinek 7 miliampera.

RLnTzyu5iXkqs

Rys. 3. Na rysunku przedstawiono wykres o takich samych osiach i skali jak na rysunku 2. Na wykresie zaznaczono punkty odpowiadające wartościom dla żarówki z tabeli na rysunku 1. Zaznaczono również niepewności pomiarowe, za pomocą pionowych i poziomych linii wychodzących z danego punktu. Wraz ze wzrostem napięcia rośnie natężenie prądu, jednak w inny sposób niż dla opornika. Dla niskich wartości napięcia, do około 1 przecinek 72 wolta, prąd narasta szybciej i dla 1 przecinek 72 wolta osiąga natężenie 50 przecinek 3 miliampera. Potem prąd zaczyna przyrastać wolniej wraz ze wzrostem napięcia i dla napięcia 6 przecinek 34 wolta osiąga natężenie 102 przecinek 6 miliampera. Przez punkty przerywaną linią poprowadzono krzywą. Dla coraz wyższych napięć nachylenie krzywej zmniejsza się, staje się ona coraz bardziej płaska.

Wykresy na Rys. 2. i 3. zostały sporządzone na podstawie danych z tabeli z Rys. 1. Przebieg tych zależności nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, dlatego sporządzone są tylko dla napięcia dodatniego.

Jak widać prezentacja graficzna jest bardziej czytelna – łatwo dostrzec charakter przebiegu zależności. Na podstawie tego przebiegu można wyciągać wnioski o właściwościach elektrycznych badanego elementu – szczególnie o oporze elektrycznym i jego zależności od napięcia i innych czynników, które mogą zmieniać się w czasie pomiaru. Na tej podstawie można weryfikować teoretyczne modele budowy wewnętrznej materiałów i elementów obwodu.

Miarą oporu elektrycznego R obwodu jest stosunek napięcia elektrycznego między końcami opornika do natężenia płynącego w nim prądu, tj.

gdzie U to napięcie przyłożone do elementu, I – natężenie prądu spowodowanego tym napięciem.

Charakterystyka przedstawiona na Rys. 2. jest typowa dla wielu materiałów w dosyć szerokim zakresie napięć, o ile przepływ prądu nie powoduje dodatkowych efektów, np.: wzrostu temperatury, liczby nośników itp. Przebieg tej charakterystyki pozwolił sformułować prawo Ohma: Natężenie prądu płynącego przez element obwodu jest wprost proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Odkrycie prawa Ohma pozwoliło stworzyć teorię przewodzenia prądu.

Z kolei wykres przedstawiony na Rys. 3. pokazuje wyraźnie, że żarówka nie spełnia prawa Ohma, ponieważ wykresem zależności natężenia od napięcia nie jest linia prosta. Każe to poszukiwać przyczyny zmian oporu ze wzrostem napięcia. Wydaje się, że dosyć łatwo jest znaleźć przyczynę we wzroście temperatury włókna, powodowanym wzrostem natężenia prądu. Zgadza się to dobrze z przewidywaniami klasycznej teorii przewodzenia prądu przez metale.

Prześledźmy charakterystykę prądowo‑napięciową diodyDiodadiody (Rys. 4.).

R1CXvgyr8YawS

Rys. 4. Rysunek składa się z dwóch części. W lewej przedstawiono charakterystykę prądowo‑napięciową diody. Widoczny jest dwuwymiarowy układ współrzędnych. Oś poziomą opisano wielką literą U, a oś pionową – wielką literą I. Wykres obejmuje wszystkie cztery ćwiartki układu współrzędnych. Skale w różnych częściach wykresu są różne. W dodatniej części osi poziomej zaznaczono jednostkę 1 wolt. W części ujemnej jednostką jest 50 wolt. Na osi pionowej, w części dodatniej, jednostka to 10 miliamperów, a w części ujemnej jeden mikroamper. Na wykresie przedstawiono krzywą będącą charakterystyką diody. Krzywa przebiega przez pierwszą i trzecią ćwiartkę układu. W pierwszej ćwiartce wartość prądu jest bliska zeru, aż do wartości napięcia około 0 przecinek 6 wolta. Potem prąd zaczyna gwałtownie rosnąć, osiągając około 20 miliamperów dla 1 wolta. Prąd nie wzrasta w sposób liniowy. Im wyższe jest napięcie, tym bardziej nachylona jest krzywa. W trzeciej ćwiartce prąd jest bliski zeru aż do wartości około minus 70 wolt. Poniżej tej wartości, prąd zaczyna gwałtownie zwiększać natężenie, osiągając prawie minus 2 mikroampery dla napięcia około minus 75 wolt. W prawej części rysunku przedstawiono symbol diody. Składa się z poziomej linii. Nad lewym końcem linii zapisano wielką literę A, nad prawym wielką literę K. Na środku linii znajduje się trójkąt, umieszczony tak, że podstawa trójkąta jest pionowa, a linia dzieli trójkąt na połowy. Przy wierzchołku trójkąta, równolegle do podstawy znajduje się pionowa linia.

Z wykresu wyraźnie widać, że dioda nie spełnia prawa Ohma, a ponadto przebieg charakterystyki zależy od kierunku napięcia. Dioda przewodzi prąd, gdy potencjał anody względem katody przekracza pewną wartość zwaną napięciem przewodzenia diody. Napięcie to wynosi około 0,6V dla diod krzemowych. W kierunku zaporowym (czyli przy tak zwanej odwrotnej polaryzacji) przez diodę płynie prąd wsteczny o bardzo małej wartości. Po przekroczeniu maksymalnego napięcia wstecznego dochodzi do przebicia lawinowego i w konsekwencji gwałtownego wzrostu prądu. Taka charakterystyka wynika z budowy diody i rodzaju nośników ładunku. Istotny wpływ na właściwości diody wywierają zjawiska zachodzące na złączu między tymi materiałami. Więcej o właściwościach diody możesz przeczytać w  e‑materiałach „Budowa diody półprzewodnikowejPółprzewodnikipółprzewodnikowej” i „Zasada działania diody półprzewodnikowej”. Taki przebieg charakterystyki pozwala na różnorodne zastosowania diod (m.in. w sieciowych układach prostowniczych i w układach stabilizacji napięcia i prądu).

Przyjrzyjmy się charakterystyce prądowo‑napięciowej fotokomórki (Rys. 5.).

RkeQkh7CiMC8k

Rys. 5. Rysunek składa się z dwóch części. W lewej przedstawiono charakterystykę prądowo‑napięciową diody. Pokazano dwuwymiarowy układ współrzędnych. Oś poziomą opisano wielką literą U z indeksem dolnym wielkie A, a oś pionową, wielką literą I. Jednostką na osi poziomej jest wolt, a na osi pionowej mikroamper. Wykres obejmuje pierwszą i drugą ćwiartkę układu współrzędnych. Na wykresie przedstawiono krzywą będącą charakterystyką fotokomórki. W pierwszej ćwiartce układu, dla zerowego napięcia płynie prąd wynoszący około pół mikroampera. Ze wzrostem napięcia prąd rośnie, najpierw liniowo, aż do wartości około 2 mikroampery przy napięciu jeden i pół wolta. Krzywa zaczyna potem zmniejszać swoje nachylenie i dla napięć wyższych niż 6 wolt płynie już stały prąd o wartości około dwa i pół mikroampera. Tę wartość prądu oznaczono na osi pionowej wielką literą I z indeksem dolnym wielkie S. W drugiej ćwiartce, dla ujemnych wartości napięcia, natężenie prądu spada praktycznie liniowo. Wartość napięcia, dla której prąd staje się równy zeru oznaczono na osi poziomej wielką literą U z indeksem dolnym h. W prawej części rysunku przedstawiono symbol fotokomórki. Składa się on z okręgu. W środku okręgu znajduje się małe, czarne koło, od którego biegnie pozioma cienka linia w prawo. Linia wychodzi poza duży okrąg, a nad jej końcem zapisana jest wielka litera A. Na lewo od środka, blisko wewnętrznej granicy okręgu znajduje się łuk w kształcie półkola sięgającego od godziny 6 do godziny 12. Ze środka łuku, czyli na godzinie 9, wyprowadzona jest pozioma linia biegnąca w lewo na zewnątrz okręgu. Nad końcem linii zapisano wielką literę K.

Fotokomórka to szklana bańka próżniowa mająca dwie elektrody: katodę K, która pod wpływem światła emituje elektrony i anodę A, której zadaniem jest zbieranie tych elektronów. Jeśli elektrony uwolnione z oświetlonej fotokatody trafią w anodę, to w obwodzie fotokomórki pojawia się prąd elektryczny. Po przyłożeniu do elektrod napięcia o polaryzacji takiej, że anoda ma wyższy potencjał niż katoda, natężenie fotoprądu wzrasta. Gdy napięcie ma dostatecznie dużą wartość, to prąd fotoelektryczny osiąga pewną wartość graniczną, zwaną prądem nasycenia IIndeks dolny s_s. Gdy katodę fotokomórki łączymy z (+) biegunem źródła napięcia, a anodę z (-), pole elektryczne między katodą i anodą hamuje fotoelektrony. Prąd nie płynie przez fotokomórkę, tzn. fotoelektrony straciły podczas hamowania całą energię kinetyczną. Napięcie, przy którym prąd w fotokomórce przestaje płynąć, nazywamy napięciem hamującym UIndeks dolny h_h. Jak widać, fotokomórka również nie spełnia prawa Ohma. Przebieg charakterystyki fotokomórki, szczególnie w zakresie napięć ujemnych, pozwolił na potwierdzenie kwantowych właściwości promieniowania elektromagnetycznego, o czym możesz przeczytać w e‑materiale „Efekt fotoelektryczny zewnętrzny”.

Jak widać z przedstawionych przykładów, przebieg charakterystyki prądowo‑napięciowej dużo mówi o właściwościach elektrycznych elementu, możliwościach ich zastosowania i budowie wewnętrznej, a nawet może stanowić postawę do weryfikowania teorii fizycznych.  W szczególności:

• z charakterystyk elementów liniowych można odczytać wartość rezystancji jako współczynnik nachylenia prostej dopasowanej do charakterystyki;

• z charakterystyk elementów nieliniowych można wyznaczyć spadek napięcia na przewodzącej diodzie, napięcie przebicia w kierunku zaporowym (jeśli występuje) czy też prąd nasycenia w fotokomórce.

Słowniczek