Лабораторна робота №2. Тема: Дослідження електричного опору кола з напівпровідниковим діодом (дослідження «чорної скриньки»)

 Мета роботи:

Дослідити залежність сили струму від напруги в колі з напівпровідниковим діодом; ознайомитися з поняттям «чорної скриньки»; сформувати розуміння односторонньої провідності діода та розвивати дослідницькі навички учнів.

Обладнання:

·                 джерело постійного струму (3–6 В);

·                 резистор (обмежувальний);

·                 амперметр;

·                 вольтметр;

·                 напівпровідниковий діод (наприклад, 1N4148 або аналог);

·                 перемикач або ключ;

·                 набір з’єднувальних проводів;

·                 лабораторна «чорна скринька» (коробка з двома виводами, усередині якої встановлено діод).

Правила техніки безпеки:

1.              Перед увімкненням кола перевір правильність з’єднань.

2.              Не перевищуй граничну напругу на діоді (до 1 В у прямому напрямку).

3.              Не торкайся контактів під час роботи з колом.

4.              Після закінчення вимірювань обов’язково розімкни коло.

Теоретичні відомості:

Напівпровідниковий діод — це елемент, який пропускає струм лише в  одному напрямку (від анода до катода).
При подачі напруги у «прямому напрямку» (анод позитивний) опір діода малий.
При «зворотному напрямку» (анод негативний) опір діода дуже великий — струм майже не протікає.

Такі властивості використовують у випрямлячах, датчиках, світлодіодах.
У досліді діод захований у «чорній скриньці», і завдання учня — експериментально визначити, який саме елемент усередині.

Хід роботи (варіант 1 — для початкового рівня):

Мета: з’ясувати, як залежить струм у колі від напрямку підключення «чорної скриньки».

1.              Збери коло за схемою: джерело → амперметр → «чорна
скринька» → ключ → назад до джерела.

2.              Увімкни коло й виміряй силу струму при підключенні у першому напрямку. Результат вимірювань запишіть у таблицю.

Напрям підключення	Напруга U, В	Сила струму I, А
Прямий
Зворотний

3.              Переверни полярність підключення «чорної скриньки» (поміняй дроти місцями).

4.              Знову виміряй силу струму. Результат вимірювань запишіть у таблицю.

5.              Порівняй отримані значення.

6.              Зроби висновок: у якому напрямку струм проходить, а в якому — ні?

 

 

Хід роботи (варіант 2 —дослідницький підхід):

1. Ознайомлення з обладнанням

Розглянь деталі, які використовуються в досліді.
Зверни увагу на позначення діода:
символ →|— означає напрям прямого струму (від анода до катода).

У «чорній скриньці» ці позначення приховані — тобі потрібно визначити напрям самостійно, експериментально.

2. Збирання електричного кола

Склади коло за схемою:

Джерело струму → амперметр → “чорна скринька” (діод) → ключ → назад до джерела.

Паралельно “чорній скриньці” під’єднай вольтметр для вимірювання напруги.
На початку підключи елемент у довільному напрямку (припускаємо, що це пряме вмикання).

3. Проведення вимірювань у прямому напрямку

1.    Встанови мінімальну напругу (приблизно 0,1 В).

2.    Увімкни коло, виміряй силу струму I₁_​ та напругу U₁​.

3.    Збільшуй напругу поступово (через кожні 0,1–0,2 В) до 0,8–1,0 В.

4.    Для кожного значення запиши результати в таблицю.

№	Напруга U, В	Прямий напрям		Pворотний напрям
		Сила струму I,  мА	Опір R, Ом	Сила струму I, мА	Опір R, Ом
1	0.1
2	0.2
3	0.3
4	0.4
5	0.6
6	0.8
7	1.0

5.    Обчисли опір R=U/I (у разі якщо I≠0).

---

4. Проведення вимірювань у зворотному напрямку

1.    Вимкни коло й поміняй полярність підключення «чорної скриньки» (перестав дроти місцями).

2.    Повтори ті самі кроки, змінюючи напругу від 0,1 В до 1 В.

3.    Спостерігай, як змінюється сила струму — чи проходить він крізь елемент?

4.    Запиши результати до тієї ж таблиці, зазначивши напрям підключення.

6. Побудова графіка

На координатній площині побудуй вольт-амперну характеристику:

• по осі абсцис (горизонтальній) — напруга U,

·        по осі ординат (вертикальній) — сила струму I.

Нанеси на один графік дві криві — для прямого та зворотного напрямків.

🔹 Зверни увагу:

• у прямому напрямку струм різко зростає після певної напруги (приблизно 0,6–0,7 В);
• у зворотному напрямку струм практично дорівнює нулю (опір дуже великий).

---

7. Аналіз результатів і висновок

• Порівняй отриману характеристику з графіком залежності для звичайного резистора (який описується законом Ома).
• Зроби висновок: чи виконується закон Ома для діода?
• Визнач, у якому напрямку «чорна скринька» пропускає струм.
• З’ясуй, який тип елемента був усередині скриньки.

---

8. Розширене дослідницьке завдання (для групової роботи):

1.    Заміни діод на світлодіод (LED) — що зміниться в спостереженнях?

2.    Виміряй напругу, за якої починає світитися світлодіод — це поріг відкривання.

3.    Порівняй поріг відкривання для червоного, зеленого та синього світлодіодів.

4.    Зроби висновок: як колір світіння пов’язаний із енергією електронів у напівпровіднику?

Додаткове експериментальне завдання:

Порівняй поведінку діода і звичайного резистора у тому самому колі.
Який елемент має лінійну залежність між струмом і напругою, а який — ні?
Як це видно на графіку?

Рефлексія діяльності учнів:

·                 Що я сьогодні відкрив для себе нового?

·                 Як експеримент допоміг мені зрозуміти властивості діода?

·                 Чи вдалося мені «розкрити» загадку чорної скриньки?

·                 Де в повсякденному житті використовуються діоди?

Запитання для допитливих до ChatGPT:

1.              Як працює світлодіод і чим він відрізняється від звичайного діода?

2.              Чому у випрямлячах струму використовують саме діоди?

3.              Що відбудеться, якщо послідовно з’єднати два діоди назустріч один одному?