📈 非歐姆元件的 I–V 特性 - Physics Lab

實驗介紹

歐姆定律說 $I \propto V$——但那只對金屬成立。

四種元件接在同一個電路上，按「開始」之後電源電壓會從 $-6$ V 一路掃到 $+6$ V 再掃回來，I–V 曲線就一點一點被描出來。

四條曲線裡只有一條是直線。

物理知識

歐姆元件與非歐姆元件

歐姆元件：$R = V/I$ 是定值，圖是一條過原點的直線。金屬（在溫度不變時）就是。
非歐姆元件：$R = V/I$ 會隨工作點改變，圖是曲線。「這顆元件的電阻是多少」這個問題，對它們只在某一點才有答案。

⚠️ 注意：非歐姆元件不代表歐姆定律錯了。$V=IR$ 在每一瞬間、每一個工作點都成立——只是那個 $R$ 一直在變。這也是為什麼曲線圖上要畫切線而不是找一條貫穿全部的直線。

四種元件的行為

元件	曲線特徵	原因
金屬	過原點直線	溫度不變→$R$ 固定
鎢絲燈泡	電壓越大越彎向電流軸	燈絲燒紅，$R$ 隨溫度上升
二極體	正半邊過了某個電壓才陡起來，負半邊幾乎為零	單向導通
熱敏電阻	電壓越大越彎向電壓軸	發熱後 $R$ 下降

燈泡為什麼會彎

鎢絲通電會發熱，溫度越高電阻越大（正溫度係數）。所以電壓加倍，電流不會加倍——燈絲變熱、電阻跟著變大，把電流壓下來。

生活上的後果：開燈的那一瞬間電流最大。燈絲冷的時候電阻只有熱的時候的十分之一左右，所以開關一按，湧入的電流比正常亮著時大得多——燈泡通常就是這樣燒掉的。

二極體：單向的閥門

二極體是 pn 接面做的，行為像一個有門檻的單向閥：

順向：電壓要超過約 0.6 V（矽二極體）才開始明顯導通，之後電流急遽上升
逆向：電流幾乎是零（只有極微小的漏電流）

用途：整流（把交流變成直流）、防止電源接反、保護電路。

生活中的例子

💡 LED 也是二極體，門檻電壓更高（約 1.8–3.3 V，看顏色）。所以 LED 一定要串一顆電阻限流，直接接電源會燒掉。
🌡️ 熱敏電阻是溫度計。它把溫度變成電阻，烤箱、冷氣、電池充電器裡都有。
🔌 手機充電器裡有整流電路。插座給的是交流電，電池要的是直流電，中間就是二極體在做轉換。
🕯️ 燈泡的冷電阻和熱電阻差很多。這是非歐姆元件最貼近生活的一個例子。

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📊 實驗探究思考

切到「金屬線」，按開始。曲線是什麼形狀？把電壓一路掃到負的，它還是一條直線嗎？
切到「鎢絲燈泡」。曲線在電壓大的地方是往哪邊彎？想想燈絲的溫度，為什麼會彎那邊？
切到「二極體」。負電壓那邊幾乎沒有點——為什麼？正電壓那邊是從多少伏特才開始有電流的？
對二極體來說，「這顆元件的電阻是 5 Ω」這句話有沒有意義？什麼情況下才說得通？
熱敏電阻和燈泡都是「電阻會變」，但方向相反。生活裡哪一種該用在哪裡？