05032013_3225 / РАБ.№3-2

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория электричества и магнетизма №2(114)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Изучение зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры

Отредактировал: доцент Русских И.Т.

Ижевск 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Изучение зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры

Приборы и принадлежности: 1).Установка для измерения температурной зависимости проводников и полупроводников в сборе, 2) Реохордный мост.

Сопротивление проводника при неизменной температуре зависит от материала проводника, от его размеров и формы. Кроме того, сопротивление проводника зависит от температуры. У металлов оно возрастает при нагревании. Зависимость сопротивления металлов от температуры выражается соотношением:

R_t = R_o(l + t), (1)

где R_o – значение сопротивления при 0°С, R_t – значение сопротивления при температуре t°C, a- термический коэффициент сопротивления.

Для нахождения термического коэффициента сопротивления данного проводника достаточно знать сопротивления этого проводника R_t1 и R_t2 при двух соответствующих температурах t₁ и t₂. Действительно, по формуле (1) для температур t₁ и t₂ имеем:

R_tl= R_o(l+t,); R_t2=R_o(l+t₂)

Разделив эти равенства почленно, имеем:

R_tl/R_t2 = (1+t₁)/(1+t₂)

Откуда:

= (R_t2 – R_t1)/(t₂R_t1 – t₁R_t2) (2)

Это соотношение носит приближенный характер и не оправдывается при очень высоких и очень низких температурах.

Изучение зависимости сопротивления металлов от температуры имеет большое значение для практических целей. В настоящее время большое количество точных измерений температуры производится при помощи так называемых термометров сопротивления. Они представляют собой проволочные, обычно платиновые сопротивления, температурная зависимость которых тщательно проградуирована в специальных установках. Этот способ измерения температуры оказывается точнее и удобнее, чем применение ртутных или других жидкостных термометров. В последнее время чаще применяются для этих целей полупроводниковые сопротивления, получившие название термосопротивлений или термисторов.

Полупроводниками называются вещества, удельная проводимость которых имеет значения меньше чем проводимость металлов (10^-5 Ом ^. м) и больше, чем проводимость диэлектриков (10¹⁰ Ом ^. м).

Типичными представителями твердых полупроводников являются германий, теллур, селен и кремний. Носителями электрического тока в полупроводниках, как и в металлах, являются электроны, но сам процесс проводимости несколько сложнее, так как электрический ток в полупроводнике осуществляется перемещением не только свободных, но и связанных (с атомами) электронов.

Чтобы понять это явление, рассмотрим подробнее строение полупроводника. У кристаллических полупроводников соседние атомы связаны между собой внешними (валентными) электронами. Причем два соседних атома имеют на внешних электронных оболочках по два общих электрона. На рис.1 дано схематическое строение германия. Германий четырехвалентен, т.е. его атом имеет четыре внешних электрона, которые на рис.1 обозначены точками и занумерованы арабскими цифрами. Атомы германия обозначены кружками и занумерованы римскими цифрами.

Каждый внешний электрон любого атома германия одновременно принадлежит одному из четырех соседних атомов германия. Линиями на рис. 1 обозначены электронные связи атомов, каждая линия соответствует связи, осуществляемый одним электроном.

б)

в)

Рис. 1

Теперь допустим, что под влиянием внешнего воздействия какой-нибудь электрон, например, 1 из связи между атомами германия I - II стал свободным (рис. 1б). Уход электрона равносилен появлению в области бывшей связи положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Такой положительный заряд, образующийся при освобождении электрона, принято называть «дыркой». Следовательно, одновременно с возникновением свободного электрона при внешнем воздействии образуется дырка (рис. 1б). Разорванная связь может быть легко восстановлена за счёт любого связанного электрона из соседних связей. Например, благодаря переходу электрона 8 из связи атомов II - III. Перемещение электрона 8 в разрыв связи I и II сопровождается перемещением дырки в связь II - III (рис.1в). Разорванная связь II - III может в свою очередь восстанавливаться, например, за счёт перехода связанного электрона 9, сопровождающего перемещением дырки в связь III - IV (рис.1г).

Таким образом, при наличии разорванных связей (дырок) в полупроводнике начинается переход связанных электронов из одной соседней связи в другую, что соответствует переходу дырок в противоположном направлении.

В отсутствии внешнего электрического поля эти переходы носят хаотичный, беспорядочный характер. При наличии электрического поля движение становится направленным, связанные электроны перемещаются против поля, что соответствует движению дырок по направлению поля. Упорядоченное движение дырок создает ток в полупроводнике. Проводимость, обусловленная перемещением дырок, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа.

В химически чистом полупроводнике освобождение электрона под действием внешних факторов сопровождается появлением дырки. Ток в таком полупроводнике приблизительно в равной степени обусловлен и электронной и дырочной проводимостью. Такая проводимость полупроводника получила название собственной проводимости. Освобождение электрона возможно при наличии дополнительной энергии, полученной извне, например при нагревании. Поэтому сопротивление термистора зависит от температуры. С увеличением температуры увеличивается число носителей электрического тока (свободных электронов и дырок), сопротивление термистора уменьшается. Закон изменения сопротивления термистора с температурой является определённым и стабильным. Это даёт возможность применять его как измеритель температуры.

Целью настоящей работы является изучение зависимости сопротивления металлического проводника и полупроводника от температуры и определение их температурного коэффициента сопротивления.

ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ

«К измерителю сопротивления»

Рис. 2

Исследуемое проволочное металлическое сопротивление R₁ и полупроводниковое сопротивление R₂ смонтированы на стеклотекстолитовой плате, которая размещена внутри трубчатого нагревателя. Измерение температуры осуществляется с помощью последовательно соединенных источника питания, терморезистора ТР и стрелочного прибора измерителя температуры ИТ, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия. При подсоединении шнура питания к сети 220В включается система измерения температуры установки. Нагреватель включается с помощью тумблера К₂. Сверху трубчатого нагревателя установлена подвижная крышка, регулирующая циркуляцию воздуха через трубчатый нагреватель. В режиме нагревания крышка нагревателя должна быть закрыта, а в режиме охлаждения – открыта. Размещение элементов в трубчатом нагревателе показано на рис 3.

УСТРОЙСТВО НАГРЕВАТЕЛЯ

Рис. 3

1 – крышка нагревателя, 2 – корпус нагревателя, 3 – полупроводник,

4 – проводник, 5 – терморезистор.

Сопротивление проводника и полупроводника измеряют с помощью реохордного моста, который подключается к клеммам «К измерителю сопротивления» установки. Подключение к клеммам проводника или полупроводника осуществляют с помощью переключателя К₁.

Рис. 4

1 – блок питания, 2 – нагреватель, 3 – тумблер К₂,

4 – измеритель температуры, 5 – тумблер К₁, 6 – мультиметр.

УПРАЖНЕНИЕ №1

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

1. Включить схему в общую сеть переменного тока.

2. Тумблер K₁ включить на проводник.

3. Снять показания начальных температур и сопротивлений при комнатной температуре.

4. Включить нагреватель с помощью тумблера К₂.

5. По мере нагревания производить замеры сопротивления проводника через каждые 10°С до температуры 100°С включительно. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Температура, ^0С	20	25	30	…	90	95	100
Сопротивление образца, Ом

6. Построить график зависимости сопротивления проводника от температуры.

7. Вычислить по формуле (2) значение температурного коэффициента сопротивления для нескольких значений температуры, взятых из начала и конца таблицы (например, 20 и 100°С), и соответствующих им значений сопротивлений.

УПРАЖНЕНИЕ №2

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКА

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

1. Установить тумблер К₁ в положение полупроводника.

2. Измерить сопротивление полупроводника при температуре 100°С.

3. Выключить нагреватель с помощью тумблера К₂.

4. По мере охлаждения нагревателя до комнатной температуры через каждые 5°С измерять сопротивление проводника. Результаты измерений занести в табл. 2. Таблица 2

Температура, С	100	95	90		30	25
Сопротивление образца, Ом

5. Построить график зависимости сопротивления полупроводника от температуры.

6. Вычислить по формуле (2) значение температурного коэффициента сопротивления для нескольких значений температуры, взятых из начала и конца таблицы (например, 20 и 100°С), и соответствующих им значений сопротивлений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как зависит сопротивление металлов и полупроводников от температуры?

2. Расскажите, что такое термистор и где он применяется?

3. Какая проводимость называется проводимостью р-типа?

4. Какая проводимость называется проводимостью n-типа?

5. Расскажите о собственной проводимости полупроводников.

ЛИТЕРАТУРА

1. И.В. Савельев. Курс общей физики. М, 1982, т.2

2. Г.А. Зисман, О.М, Тодес. Курс общей физики. М., 1972, т. 2

3. Р.И. Грабовский. Курс физики. М., 1930, гл. П, 12.

9