Практикум на тему электричества (1115549), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Результаты измерений записываются в табл. 1. 9. Для проверки правильности градуировки с помощью мультиметра измерьте неизвестную емкость конденсатора (см. стр. 11), результат С; запишите в табл. 2, точность измерения мультиметра Б, = 5%. 10. Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров. Обработка результатов измерений 1. Используя данные табл. 1, рассчитайте градуировочную постоянную 1 (фор- мула 4) 7' — С,У, 1У'. „..
2. По формуле (3) рассчитайте емкости неизвестного конденсатора С с У' ыыю сред еысл с ~С л емкость параллельно соединенных конденсаторов л С сарае Сларал ылсл сред „.. — У ларю и емкость последовательно соединенных конденсаторов У лосл Слосл ылл сред слсл ло ел Результаты расчетов записывайте в табл. 2.
Таблица 2 3. Оцените относительную погрешность величины С„: 27 где 6, — относительная погрешность эталонной емкости (задана на миниблоке), с), = с) „= Б, = 1,2% — точность (относительная погрешность) изме~с сз рения мультиметром напряжения. С ларах Сзлазалз 100% С'ар расс Сласл С ласк ~ 100о,. С расс запишите в таблицу 2. относительной погрешностью измерений Б,, Полученные результаты расчетов б. Сопоставляя эти отклонения с сделайте заключение о точности измерений. 7.
Сравните результаты измерения неизвестной емкости (С„" и С,",). К о н т р о л ь н ы е в о и р о с ы 1. Дайте определения величин емкости проводника и конденсатора. 2. От каких величин зависит емкость проводника и конденсатора? 3. Как изменится емкость конденсатора при изменении проницаемости диэлектрика с„или расстояния между обкладками д в случае: а) конденсатор отключен от источника тока, б) без отключения? 4. Запишите формулы для расчета емкости при последовательном и параллельном соединениях конденсаторов.
Как изменяется емкость в соединении по сравнению с емкостью одного конденсатора? 5. Сравните параметры (заряд, напряжение) одного конденсатора и батареи конденсаторов, соединенных: а) последовательно; б) параллельно. б. Какую величину измеряют интегратором? От чего зависят показания У прибора? 7. Что показывает величина градуировочной постоянной у~ 4. Используя значения емкостей С, и С,"„„, по формулам для параллельного и последовательного соединений конденсаторов рассчитайте Сларалз С + Сх расс з ззхл з ззлл С +С" з зксл Результаты расчетов запишите в таблицу 2.
5. Найдите относительное отклонение экспериментальных значений от расчетныхв%: 8. Какие величины необходимо измерить для градуировки прибора? 9. Какие формулы используют для определения градуировочной постоянной у; емкости неизвестного конденсатора С„и емкости соединения конденсаторов 3„.
„ОС,' Литература 1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. — М: Высшая школа, 1989. — Я 1 6,2, 1 б.3. 2. Калашников С.Г. Электричество. — М.: Наука, 1977. — Я 31, 32. Работ» № 3 изучкние тюмпи лтуРной злвисимости сопРотивлкния пРоводникл и полупРоводникл ЦЕЛЬ: определение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) проводника и ширины запрещенной зоны полупроводника. ОБОРУДОВАНИЕ; регулируемый источник постоянного напряжения, мини- блоки «Исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника» и «Ключ», мультиметры. Рис. 1.
Энергетические зоны. Обозначения энергетических зон: ВЗ вЂ” валентная; СЗ вЂ” свободная; ЛИ' — за- претценная. Штриховкой отмечена за- полненная часть зоны (при температуре Т=ОК) Пслуиреисдиик ПРОВОДНИК Диэлектрик 30 Введение По электрическим свойствам вещества разделяют на три класса: проводники, диэлектрики и полупроводники. Типичными проводниками являются металлы, обладающие малым удельным сопротивлением — менее 10 Омм. Удельное электрическое сопротивление полунроводников р обычно лежит в пределах 10 ...10 Ом м Материалы, у которых величина р больше 10 — 6 — 14 — 14 Ом м, относятся к диэлектрикам.
Полупроводниками являются ряд элементов 111 — Ч1 групп таблицы элементов Д,И. Менделеева (В, йе, й, Аз, Те и т.д.), а также большое число химических соединений (Оалз, С1аР, УпЯ, ЙС и др.). В зависимости от внешних условий (температура„давление) одно и то же вещество может относиться к разным классам. Например, германий при температуре жидкого азота 77 К вЂ” диэлектрик, при комнатной температуре — полупроводник, а жидкий Ое — проводник. Теория дает более обоснованную классификацию веществ. Согласно квантовой теории электроны в атоме могут иметь только определенные значения энергии, которые называют энергетическими уровнями. Именно зти уровни при обьединении отдельных атомов в кристалл образуют разре1аенные знергени4чес1а4е зоны.
Промежуток, разделяющий такие зоны, называют занреи1енной зоной (рис. 1). Энергетическая зона считается заполненной, если все уровни зоны заняты электронами. При этом согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, имеющих противоположно направленные спины. Зона считается свободной, если не заняты все уровни этой зоны. Если валентные электроны атомов, ответственные за электрические свойства вещества, образуют полностью заполненную (валентную) зону так, что последующая разрешенная зона (зона проводимости) свободна, то электропроводность такого вещества равна нулю, и оно является диэлектриком. Действительно, при протекании тока в веществе происходит движение электронов под действием внешнего электрического поля, что предполагает увеличение энергии электронов, т.е.
переход их на более высокий незанятый энергетический уровень. Эти уровни отсутствуют в случае заполненной валентной зоны, а значит, в веществе с такой зонной структурой электрон не может ускоряться внешним электрическим полем. Для того, чтобы перевести электроны из валентной зоны в зону проводимости, им следует сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны Л1Г Часть электронов приобретает эту энергию при облучении вещества светом или за счет теплового движения атомов.
Поэтому при обычных температурах (Т= 300 К) в зоне проводимости есть некоторое количество электронов. В зависимости от их концентрации вещество может быть либо диэлектриком, либо полупроводником, причем различие между этими классами определяется значениями ширины запрещенной зоны Л Ю' и температуры Т.
Для полупроводников при комнатной температуре ЛИ' составляет 0,02 — 2 эВ, а для диэлектриков — больше 2 эВ. Температурная зависимость проводимости полупроводников определяется изменением концентрации носителей тока — электронов, перешедших в зону проводимости. При увеличении температуры их количество экспоненциально возрастает, поэтому сопротивление Л чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры Т по закону Л = А ехр(ЯП23сТ), (1) где А — величина, слабо зависящая от температуры; й =1,38 10 Дж~К вЂ” посто-гз янная Больцмана.
Проводники имеют другую зонную структуру. Валентные электроны заполняют зону примерно наполовину (см. рис. 1), при этом электроны могут свободно перемещаться под действием внешнего электрического поля. Валентная зона является зоной проводимости. В проводнике концентрация свободных электронов не зависит от температуры — в этом основное отличие проводника от полупроводника и диэлектрика. Для проводников зависимость сопротивления от температуры значительно слабее, чем для диэлектриков.
Она определяется рассеянием энергии электронов при взаимодействии с ионами кристаллической решетки. С ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний ионов, что ведет к снижению длины свободного пробега электронов проводимости в металле. При этом электрическое сопротивление Я проводников увеличивается по линейному закону Н =Я,(1+а~), 31 где ~ — температура в градусах Цельсия; К вЂ” сопротивление проводника при 0' С; а — температурный коэффициент сопротивления (ТКС), М е т о д и к а о п р е д е л е н и я величины ТКС проводника и ширины запрещенной зоны полупроводника Уравнение (2) температурной зависимости сопротивления проводника в координатах  — ~ изображается прямой линией, угловой коэффициент которой Кг = В,~х По величине Кг можно определить значение ТКС исследуемого проводника; а — Кпаб, (3) где К вЂ” значение Я при температуре О' С определяют путем экстраполяции линейной зависимости до ~ = О' С.
Величину углового коэффициента экспериментальной зависимости также определяют по графику или с помощью метода наименьших квадратов (см. приложение 1). Для полупроводника зависимость сопротивления от температуры нелинейная, поэтому для определения ее параметров используют функциональные шкалы 1п Л вЂ” 1,'Т. Действительно, логарифмируя уравнение (1), получаем 1пВ = 1пА+ — 1!Т. ЛИ' (4) 21 Эта зависимость 1пЛ от 1/Т является линейной с угловым коэффициентом Кг=ЛИ72К что позволяет найти ширину запрещенной зоны полупроводника по формуле Л11" = 2~Хг. (5) Таким образом, для определения величины ТКС проводника и ширины запрещенной зоны полупроводника Л1г'достаточно получить экспериментально температурные зависимости их сопротивления.
О лис аниеустановки Электрическая схема установки показана на рис. 2, монтажная схема — на рис. 3. Рис. 2. Электрическая схема; (,""'""""" "ю 7 1 — регулируемый источник постоянно- ~'-8 — ' ~ го напряжения (О...+15 В); 2 — электро- 10 нагреватель; 3 — термопара; 4, 5 — ис1 ~2, ~ Д следуемые образцы проводника и р р ~ 9 полупроводника; 6 — блок «Исследопр ПИ ! вание температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника»; 7 — переключатель; 8 — блок «Ключ»; 9 — цифровой мультиметр в режиме измерения сопротивления (режим 122 кОм, входы СОМ ИЗ; 10 — циф- ровой мультиметр в режиме измерения температуры (режим 'Г, входы 5 (см.
стр. 9, рис. 3) Электронагреватель 2 подсоединен к регулируемому источнику постоянного напряжения 1 (О...+15 В). При включении источника напряжения начинается нагрев исследуемых образцов. Для измерения сопротивления образцов 4, 5 в режиме непрерывного нагрева их поочередно подсоединяют к цифровому мультиметру 9 с помощью переключателя 7. Температуру образцов измеряют с помощью термопары 3, сигнал с которой подается на мультиметр 10 (разъем для подключения термопары).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
