МУ-Ф-5 (Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников), страница 3

1. На приборе используется международное обозначение ома - знак Ω. В зависимости от предела измерений на индикаторе высвечивается величина сопротивления в омах,килоомах (1 кОм = I03 Ом) и мегаомах (1 МОм = 106 Ом). Следует обращать внимание только на десятичную приставку, никаких умножений результата не требуется. Пределы 10 Ом и1 Ом, имеющиеся в приборе, не могут быть использованы в данной работе, так как для этоготребуется специальное подключение образцов.Как видно из табл. 1, на разных пределах измерения ток через образец различен, номаксимальное напряжение на образце, равное 2 В, везде одинаково.

Одно и то же сопротивление можно измерить на различных пределах, но с разным числом значащих цифр (четыреи меньше). В четвертом столбце таблицы даны результаты подобных измерений для сопротивления большого геометрического размера, которое хорошо рассеивает выделяющиеся внем джоулево тепло и очень слабо нагревается. В пределах погрешности прибора, не меньшей, чем несколько единиц в младшем разряде, все результаты одинаковы. Естественно, чтоболее точный результат содержится в первой строке.Таблица 1Предел наМаксималь- Ток через обПределы измерения сопротивленияпереключаные измеразецМассив-ныйЛампа газоЛампа вакутелеряемые знаIрезисторнаполненная умированнаячения сопротивления100 Ом200,0 Ом10 мА168.7 Ом29,3 Ом50,4 Ом1 кОм2,000 кОм1 мА0,167 кОм0,027 кОм0,018 кОм10 кОм20,00 к0м0,1 мА0,15 кОм100 кОм200,0 кОм10 мкА1 МОм2,000 МОм1 мкА10 МОм20,00 МОм0,1 мкАРассмотрим подробнее влияние нагрева измерительным током на результат измерения сопротивления миниатюрной лампочки.

Во время измерения температура нити повышается навеличину ∆Т = R I2 /H, где I - ток, R - сопротивление, H - коэффициент рассеяния тепла лампой, Вт/К. который увеличивается с увеличением поверхности образца и улучшением условий теплообмена. Посмотрим в табл. I на результаты измерений для газонаполненной лампы.На двух пределах измерения они практически одинаковы, хотя ток отличается в 10 раз, а10модность джоулева тепла - в 100 раз. Поскольку при этом сопротивление не изменилось,значит большого нагрева не было, и полученные данные отражают сопротивление лампыпри комнатной температуре.Совершенно иная картина получается для вакуумированной лампы:при большем токе ее сопротивление увеличивается примерно в 3 раза, что является следствием большого нагрева. Для некоторых образцов вакуумированных ламп можно наблюдатьдаже свечение нити при измерении ее сопротивления, разумеется, что при таких измеренияхговорить о температуре образца не представляется возможным.

Рассмотренный пример показывает, как важно внимательно анализировать условия опыта для получения достоверныхрезультатов.Таким образом, чтобы убедиться в пригодности прибора для измерения сопротивления данного образца, необходимо сравнить результаты измерений на двух пределах, т.е.

приразличных токах. Если они одинаковы в пределах инструментальной погрешности, то прибор пригоден. Рассматриваемый эффект может возникнуть скорее для образцов с малым сопротивлением, чем большим; объясните эту закономерность.3. Выполнение экспериментаИз трех предлагаемых заданий первые два - ознакомительные, а последнее - основное.Задание 1. Ознакомление с установкой и методикой измерения сопротивления.1.

Ознакомиться с установкой, органами управления и образцами (см. рис. 9...10 и надписина установке).2. Проверить, имеется ли заземление установки и цифрового вольтметра, без чего измерениябольших сопротивлений могут быть неправильными. При отсутствии заземления установкуне включать и обратиться к учебному мастеру.3. Убедиться, что источник питания и тумблер «Нагрев» выключены. Проверить, подключены ли подводящие провода к гнездам «U--R» и «О» вольтметра. Включить сетевое питаниевольтметра, при этом должно появиться свечение индикатора.4.Сопротивление полупроводника при комнатной температуре равно примерно 1 МОм, алампочек - несколько десятков Ом, причем у различных экземпляров - различное.

Изучитьвлияние тока прибора на результат измерения сопротивления. Для этого измерить сопротивление ламп на пределах 100 Ом и 1 кОм, а полупроводника - на пределах 1 МОм и 10 кОм.Результаты записать в табл. 2.Таблица 2ОбразцыСопротивление на пределах100 Ом1 кОм1 МОм10 МОмВнутри нагревателя:1. Лампа газонаполненная--4. Лампа газонаполненная--5. Лампа вакуумированная--2. Полупроводник--Вне нагревателя:3. Полупроводник--5. Сделать вывод, для каких образцов пригоден прибор для измерения сопротивления.Задание 2. Проведение демонстрационного опыта.Первая часть опыта - определение знака и порядка величины ТКС полупроводника и метал-11ла; вторая часть – обнаружение терморезистором теплового излучения руки с расстояния внесколько см.

Для опыта используют газонаполненную лампу и полупроводник, находящиеся вне нагревателя. Сопротивления измерять на пределах 100 Ом и 1 МОм для лампы и полупроводника соответственно. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) можноопределить из следующего опыта: если прикоснуться слегка пальцем к образцу, то его температура возрастет примерно до 36° С, т.е. примерно на 10° выше комнатной. Из результатовопыта по формуле (9) вычислить ТКС. Результаты записать в табл. 3.Таблица 3.Условия измеренийСопротивлениетерморезисторалампыКомнатная температураПрикосновение пальцаИзлучение рукиТКС =...ТКС =...Задание 3.

Исследование температурной зависимости сопротивления вольфрама и полупроводника в интервале от 295 до 650...700 К.1. Измерить сопротивление образцов внутри нагревателя, не включая тока, при комнатнойтемпературе Т0 ≈ 295 К; при этом прибор термопары должен показывать отсутствие термоЭДС. Сопротивление металла измерять (здесь и далее) на пределе 100 Ом, сопротивление холодного терморезистора - на пределе 1 МОм. Результаты измерений записать в первую строку табл. 4.ВНИМАНИЕ! В ходе выполнения опыта сопротивление полупроводника уменьшитсяв тысячи раз, поэтому для сохранения точности измерения сопротивления по мереего уменьшения переключайте прибор на более низкие пределы.Если сопротивление больше, чем можно измерить на данном пределе, на табло высвечивается сигнал переполнения - мигающая буква П.Таблица 4Обработка данныхРезультаты измеренийN, делСопротивление R.Т, К1/ Т, К-1Для полупроводникаln(R/R0)полупроводника вольфрамаR=R0=Т0=2953,39⋅10-3ln 1 = 02.

Включить источник питания и по его вольтметру установить напряжение 3 В, включитьтумблер «Нагрев». После этого сопротивление полупроводника должно быстро уменьшаться. После включения (или измерения тока) необходимо подождать примерно 5 мин,чтобы тепловой режим стал близкий к стационарному, после чего быстро произвести измерения сопротивления и напряжения термопары в числе делений N шкалы прибора. Результаты записать в табл. 4.3. Увеличивая напряжение с шагом 3 В (до максимального 15 В), продолжайте измерения,как описано выше.4.

По окончании измерений выключить установку.4. Обработка и анализ результатов измерений1. По результатам измерений построить два графика: для вольфрама - зависимость R от Т.для полупроводника - зависимость ln(R/R0) от 1/Т.2. Определить ТКС вольфрама при Т = 300 К и Т = 600 К, используя формулу (9) (см. пояснения в разд. «Температурный коэффициент сопротивления»).

Результаты анализазаписать в табл. 5.Таблица 512МатериалЭнергия активациипроводимости εАДжЭВТКСПри 300 КПри 600 КПолупроводникВольфрам3. Для полупроводника через экспериментальные точки провести наилучшую «на глаз»прямую линию. Сделать вывод, согласуются ли результаты опыта с экспоненциальнойзависимостью (2). По методике, описанной в разд. 4 «Теоретической части», определить εА в Дж и эВ (1 эВ = 1,6⋅10-19 Дж).

По формуле (13) вычислить ТКС полупроводника при двух температурах. Результаты записать в табл. 5.Отчет должен содержать конспект теоретической части, схему установки (рис. 9), экспериментальные данные - табл. 2...5 и два графика.1.2.3.4.5.6.Контрольные вопросыКакие основные электрические свойства полупроводников и металлов вы знаете?Что такое удельная электропроводность и от чего она зависит?В чем состоит физический смысл подвижности носителей заряда? Что и как на нее влияет?Как объяснить с помощью зонных диаграмм проводимость различных классов твердыхтел?В чем особенности зонных диаграмм примесных полупроводников? Как объяснить влияние примеси на проводимость?Как объяснить температурную зависимость проводимости полупроводников и металлов?РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА1.

Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х т. М.: Наука, 1987. Т.3. 320 с.2. Левинштейн. М. Е, Симин Г. С. Знакомство с полупроводниками. М.: Наука, 1984. 240 с..