Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры - файл n1.doc

приобрести
Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры
скачать (450 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc450kb.20.09.2012 11:22скачать

n1.doc

Лабораторная работа № 71.

Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры.
Цель работы: Изучить зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры.

Теория: Носителями электрического тока в металлах являются валентные электроны, оторвавшиеся от своих атомов. Такие электроны называются свободными электронами или электронами проводимости. Согласно классической теории электропроводности электрическое сопротивление металлов при повышении температуры возрастает пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры. Современная теория электропроводимости металлов основана на законах квантовой статистики Ферми-Дирака. Электрическое сопротивление объясняется рассеянием электронных волн на искажениях кристаллической решетки, которые возникают в результате тепловых колебаний ионов металлов, находящихся в ее узлах. Экспериментальная температурная зависимость сопротивления металлического проводника при температурах, близких к комнатной температуре, имеет вид:

R=R0(1+?t) (1)

Где R и R0- сопротивление проводника при температуре t и 0°С, ?- температурный коэффициент сопротивления металла..

В проводниках носителями тока являются электроны и (так называемые) дырки, концентрация n которых не постоянна, как в металлах, а меняется при изменении температуры но закону:

n= n0eE/2kT, (2)

где n0-концентрация атомов полупроводника, ∆Е- энергия активации носителей тока, k-постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Принимая во внимание, что сопротивление R полупроводника обратно пропорционально концентрации n, имеем:

R=R0e∆E/2kT (3)

или

lgR=lgR0+ (4)

Подставим численные значения lg e=0,43 и k=8,6*10-5 эВ/К в выражение (4), находим:

lgR=lgR0+2,5∆E . (5)

При построении графиков принято откладывать по оси абсцисс 103/Т, а по оси ординат lg R. В этом случае тангенс угла наклона прямой lg R=f(103/T) равен: tg ?= 2,5 ∆E, и расчетное соотношение для энергии активации носителей тока в полупроводниках принимает вид:

∆E= 0,4 tg ? (эВ). (6)
Описание установки.

Сопротивление исследуемых образцов ( Rм- медная проволока и Rп- полупроводниковый терморезистор) измеряются при помощи мостовой схемы Уитстона (рис. 1): AB – измерительный реохорд с подвижным контактом С, Rm - магазин сопротивлений, П - переключатель образцов. Сопротивления плеч АС и СВ реохорда пропорциональна их длинам: RAC~l1 и RCB~l2. В диагональ моста АВ через ключ(замыкатель) К подключен источник эдс ?. В другую диагональ моста СD подключен гальванометр G. Образцы помещены в нагреватель (на рис. 1 не показан). Температура образца измеряется ртутным термометром.



Задание 1. Изучение температурной зависимости сопротивления медного проводника.

  1. собрать электрическую цепь по схеме ( рис.1). При помощи переключателя П подключить образец Rм.

  2. Установить предварительно на магазин сопротивлений Rm=40 Ом. Кратковременно замыкая ключ К и перемещая движок реохорда С добиться равновесия моста, то есть отсутствия отклонения стрелки гальванометра.

  3. Подобрать сопротивление магазина Rm так, чтобы равновесие моста достигалось вблизи среднего положения движка реохорда.

  4. Снять отсчет комнатной температуры, измерить длины плеч АС= l1 и ВС= l2 и вычислить сопротивление Rм по формуле:

Rм=Rm(l1/l2).

  1. Включить нагреватель. Измерить значение сопротивления образца Rм при нагревании через интервалы температур ∆t= 5-10 ˚С. Температуру образца довести до 100 ˚С.

  2. Выключить нагреватель. Измерить значение сопротивления образца Rм при его остывании вплоть до температуры ? 30 ˚С также через интервалы температур ∆t= 5-10 ˚С.

  3. По значению сопротивления Rм, полученным при нагревании и охлаждении медного образца, построить график зависимости Rм=f(t) и аппроксимировать его прямой линией.

  4. При помощи полученного графика определить начальное значение сопротивления Rм0, тангенс угла наклона прямой с осью температур tg ? и вычислить значение температурного коэффициента сопротивления меди по формуле: ?= tg ?/ Rм0. Сравнить его с табличным значением.

Практика:

Таб.1: Зависимость температуры и сопротивления проводника от длинны АС=l1 и ВС=l2.

t/˚C

l1/l2

Rм/Ом

t/˚C

l1/l2

Rм/Ом

24

0,987

39,47

90

1,222

48,89

30

1,034

41,35

80

1,174

46,95

40

1,091

43,62

70

1,143

45,71

50

1,128

45,11

60

1,113

44,51

60

1,166

46,64

50

1,069

42,76

70

1,189

47,59

40

1,034

41,36

80

1,206

48,24

30

1

40

90

1,256

50,23










100

1.308

52,31










Rm= 40 Ом.

Rм0= 39,47 Ом.



tg ?= 0,15



tg ?= 0,15

Используя полученные данные, находим значение температурного коэффициента: ?= tg ?/ Rм0= 3,8*10-3(1/К).

Задание 2. Изучение температурной зависимости сопротивления полупроводника Rп.

  1. Переключатель П перевести в положение Rп. Снять зависимость сопротивления полупроводника от температуры по методике, описанной в задании 1. Принимая во внимание формулу перехода между шкалами температур Т= t+273, построить графики зависимостей Rп= f1(t) и lg Rп= f2(103/T).

  2. По графику прямолинейной зависимости lg Rп = f2(103/T) определить значение tg ? и по формуле (6) вычислить энергию активации носителей тока ∆Е.

Практика:

Таб.2: Зависимость температуры и сопротивления проводника от длинны АС=l1 и ВС=l2.

t/˚C

T/K

(103/T)/К

l1/l2

Rп/ Ом

lg Rп/Ом

30

303

3,3

0,769

461,9

2,664

40

313

3,195

0,6

360

2,556

50

323

3,096

0,453

271,7

2,434

60

333

3

0,354

212,6

2,327

70

343

2,915

0,285

170,8

2,232

80

353

2,833

0,242

145,3

2,162

90

363

2,755

0,193

115,7

2,063

100

373

2,681

0,154

92,3

1,965

90

363

2,755

0,227

136,5

2,135

80

353

2,833

0,29

174,2

2,241

70

343

2,915

0,364

218,2

2,338

60

333

3

0,453

271,7

2,434

50

323

3,096

0,579

347,4

2,541

40

313

3,195

0,705

422,7

2,626

30

303

3,3

0,905

542,8

2,735


Rm=600 Ом.





По графику определяем тангенс угла наклона: tg ? = 0,89.



По графику определяем тангенс угла наклона: tg ? = 1,18.

Используя полученные данные, вычисляем энергию активации носителей тока в полупроводнике: ∆Е= 0,4tg ?=0,4*1,035= 0,42 (эВ).

Вывод: Используя мостовую схему Уитсона, исследовали зависимость сопротивление медного проводника и полупроводникового терморезистора от температуры. Также был вычислен температурный коэффициент медного проводника ?= 3,8*10-3(1/К) и энергия активации носителей тока для полупроводникового терморезистора ∆Е= 0,42 (эВ).

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации