Завдання 3. Зміна опору напівпровідників при нагріванні і охолодженні
Устаткування: 1) термістор ММТ-4 на підставці, 2) лабораторний прилад з термістором ММТ-1, 3) гальванометр демонстраційний від амперметра, 4) Б 5-7, В-24, або інше джерело струму з напругою близько 4 В, 5) вимикач демонстраційний, 6) спиртівка, 7) дроти сполучні, 8) склянка зі снігом або з холодною водою.
Перед демонстрацією досліду учнів знайомлять з будовою термістора ММТ-4 по стінній таблиці 1.
Термістор ММТ-4 зображений на таблиці великим планом в розрізі. Букви ММ означають полупровідниковий матеріал, з якого зроблений термістор (оксиди марганцю і міді); буква Т -термистор; цифра 4 умовне позначення конструктивного оформлення.
Термістор ММТ-4 в розрізі
Рис. 3. Установка і схема для демонстрації дії термістора
Термістор має форму циліндричного стержня 5 завдовжки 12 мм і діаметром 2 мм. На кінці стержня надіто контактні ковпачки 3 з виводами з мідного дроту 7. Поверхня стержня покрита шаром емалевої фарби і обернуто металевою фольгою 4, яка покращує теплообмін між термістором і довкіллям. Один вивід термістора припаяний оловом 6 до дна металевого корпусу 2, а інший — проходить в трубочці, ввареній в скляний ізолятор 1. Герметизація термістора забезпечує його стійку роботу в умовах підвищеної вологості і безпосередньо в рідинах.
Після розгляду таблиці викреслюють на класній дошці схему і по ній збирають установку, показану на рис. 3. Термістор закріплюють на підставці в горизонтальному положенні і включають в електричний ланцюг послідовно з демонстраційним гальванометром, джерелом живлення (напругою близько 4 В) і вимикачем.
При замиканні ланцюга гальванометр відмічає невеликий струм: стрілка гальванометра відхиляється приблизно на два ділення шкали «0-10». Величина цього струму залежить (за законом Ома) від напруги джерела струму і початкового, так званого холодного опору термістора, т. е. його опори при кімнатній температурі. Після цього термістор повільно нагрівають над полум'ям спиртівки (полум'я не повинне торкатися приладу) і спостерігають поступове збільшення струму. Коли стрілка гальванометра підходитиме до останніх ділень шкали, нагрівання припиняють.
Далі показують зворотний процес — охолодження термістора : знімають термістор з штатива і занурюють в склянку з снігом або холодною водою. Стрілка гальванометра швидко переміщується у зворотний бік і через деякий час зупиняється майже біля нуля шкали.
Графік залежності опору термістора ММТ-4 від температури
Виконаний дослід дозволяє наперед усього зробити висновок, що опір напівпровідників з підвищенням температури зменшується і, навпаки, з пониженням температури збільшується. Для уточнення цього питання увага учнів знову повертають до вказаної вище таблиці 1 і розглядають графік температурної залежності опору термістора. Цей графік показує, що опір напівпровідників різко зменшується з підвищенням температури, причому температурна чутливість на різних ділянках температури неоднакова. Електропровідність напівпровідників при високих температурах близька за величиною до електропровідності металів, а при низьких температурах напівпровідники фактично стають ізоляторами.
Учням відомо, що величина електропровідності визначається концентрацією вільних носіїв заряду (електронів, іонів). Виходячи з цього, виконаний дослід дає основу зробити висновок, що концентрація електронів провідності напівпровідників на відміну від металів залежить від температури: з підвищенням температури концентрація зростає, а з пониженням температури — зменшується. Тепловий рух є головним причиною виникнення електропровідності напівпровідників. Цей висновок має глибоко принципове значення. Він показує, що без витрати зовнішньої енергії утворення носіїв заряду в напівпровіднику неможливо, а отже, неможливе і виникнення електричного струму.
На закінчення слід зазначити, що нині промисловість випускає різні типи термісторів з різно-образними електричними характеристиками і конструкціями виконання. Із зовнішнім виглядом різних термісторів і їх призначенням можна ознайомити учнів по стінній таблиці 1.