Смекни!
smekni.com

Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам (стр. 2 из 8)

, (1.6)

где

– коэффициент термо-э.д.с. или относительная удельная термо-э.д.с., k=1,381×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, е – заряд электрона, п1, п2 – концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах.

В термопарах используют проводники, имеющие большой и стабильный в рабочем диапазоне температур коэффициент термо-э.д.с.

2. Описание экспериментальной установки


Экспериментальная установка изображена на рис. 1.3. Образцы проволочных резисторов R1R4, изготовленные из меди, константана, манганина и нихрома, металлопленочный резистор МЛТ-1 (R5) и термопары ТП1–ТП3 поме­щаются в термостат 1 с термометром 2. Электрическое сопро­тивление резисторов измеряется омметром 3, э.д.с. термопар – милливольтметром 4. Пере­ключатели П1 и П2 размещены на плате 5 и позволяют поочередно подключать к измерителям исследуемые проводники и термопары. Там же приведена таблица с указанием вида, длины и сечения исследуемых проводников.

3. Порядок проведения работы

Внимание: все измерения по последующим пунктам проводятся одновременно.

3.1. Определение удельного электрического сопротивления проводников и вычисление aR, ar.

Проводники, поме­щенные в термостат, поочередно подключить к входным зажимам омметра и замерить их сопротивления сначала при комнатной температуре, а затем при повышении температуры до 90 °С с шагом 10 оС. Результаты измерений записать с максимальной точностью в табл.1.2.

Таблица 1.2

проводник

q, oС 20 30 40 50 60 70 80 90
медь R1
r1
aR1
ar1
Константан R2

3.2. Определение зависимости термо-э.д.с термопар от тем­пературы.

Одновременно с нагреванием проводников нагреваются помещенные в термостат спаи трех термопар. Холодные концы термопар поочередно подключить переключателем П1 к милливольт­метру. Значения измеренных термо-э.д.с. занести в табл. 1.3.

Таблица 1.3

q, °С

ET, мВ
Термопара
медь – константан хромель – алюмель хромель – копель
20
90

4. Оформление отчета

1. Привести схемы экспериментальных установок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а также таблицы измерений.

2. По данным измерений табл. 1.1 построить график зависимости R(q). По графикуR(q), а также по формулам (1.3), (1.5) рассчитать и занести в таблицу 1.1 значения aR,ar, и r для каждого из исследованных проводников. По данным таблицы 1.1 построить графики зависимостей R(q), r(q), aR(q) и ar(q).

3. Рассчитать длины свободного пробега электронов для исследованных проводников при комнатной температуре.

4. По данным таблицы 1.2 и по формуле (1.6) рассчитать средние значения относительной удельной термо-э.д.с. для исследованных термопар. построить графики зависимостей ЕТ(q).

5. Привести краткое описание исследованных в работе материалов (хими­ческий состав, электрические свойства, области применения).

6. Дать краткие выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы относятся к классу проводников?

2. Чем обусловлена высокая электропроводность проводников?

3. Как можно классифицировать проводники?

4. Какие факторы и почему влияют на удельное электрическое сопротивление?

5. Что такое температурный коэффициент удельного сопротивления?

6. Для каких материалов и почему важно учитывать линейное расширение при нагревании?

7. Что такое термо-э.д.с., в чем причина ее возникновения?

8. Исходя из каких соображений подбираются материалы для термопар?

Работа 2.Исследование свойств терморезисторов

Цель работы:

а) определение зависимости сопротивления терморезисторов от температуры;

б) определение энергии активации и коэффициента температурной чувствительности полупроводника;

в) оценка величины постоянной времени тепловой инер­ции терморезисторов;

г) построение динамических вольтамперных характеристик терморезисторов.

1. Краткие сведения из теории

Терморезистором называется полупроводниковый резистор, сопротивление которого в сильной степени зависит от температуры.

Удельная электрическая проводимость полупроводников

, (2.1)

где

– концентрация,
– подвижность электронов и дырок соответственно.

В примесных (n-типа или p-типа) полупроводниках одним из слагаемых в приведенном выражении можно пренебречь.

Подвижность носителей при нагревании изменяется сравнительно слабо (по степенному закону, ~

), а концентрация очень сильно (по экспоненциальному закону, ~
). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости полупроводников подобна температурной зависимости концентрации основных носителей, а электрическое сопротивление терморезисторов может быть определено по формуле:

(2.2)

где Nо – коэффициент, зависящий от типа и геометрических размеров полупроводника; DЭ – энергия активации примесей (для примесных полупроводников) или ширина запрещенной зоны (для собственных полупроводников), k – постоянная Больцмана.

постоянная В =DЭ/k носит название коэффициент температурной чувствительности и приводится в паспортных данных на терморезистор. экспериментально коэффициент температурной чувствительности определяют по формуле

(2.3)

где Т1 и Т2 – исходная и конечная температуры рабочего температурного диапазона, R1 и R2 – сопротивления терморезистора при температуре соответственно Т1 и Т2.

На рис. 2.1 приведен график зависимости сопротивления полупроводникового резистора от температуры.

Чаще всего терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления aR. Выпускаются также терморезисторы, имеющие в сравнительно узком интервале температур положительный aR и называемые позисторами. При нагревании величина сопротивления терморезисторов убы­вает, а позисторов возрастает в сотни и тысячи раз. В справочниках значение aR приводится для температуры 20 оС. Значения aR терморезисторов для любой температуры в диапазоне 20…150 оС можно определить по формуле:

(2.4)

терморезистор характеризуется оп­ределенной тепловой инерцией, зависящей от химических свойств полупроводника и конструкции элемента (площади излучающей поверхности). Тепловая инерция оценивается постоянной времениt – временем, за которое разность между собственной температурой тела и температурой среды уменьшается в е (2,7183) раз.

Если терморезистор, имеющий температуру qо, поместить в среду с температурой qс¹qо,то его температура будет изменяться с течением времени по показательному закону:

. (2.5)

На рис.2.2 показан процесс изменения температуры терморезистора при его остывании.

С остыванием терморезистора сопротивление его увеличивается (рис. 2.3). Знание зависи­мостей R(q) (рис.2.1) и R(t) (рис. 2.3) позволяет, задаваясь значениями R и определяя по кривым рис. 2.1 и 2.3 соответствующие им значения q и t, построить зависимость q(t) и определить t.

Различают статическую и динамическую вольтамперные характеристики (ВАХ) терморезистора. При снятии статической ВАХ ток фикси­руется после длительной выдержки терморезистора при каждом значении напряжения. Динамическая ВАХ показывает реакцию тер­морезистора на воздействие импульсов напряжения разной величины, но одинаковой длительности. ток фиксируется в конце импульса.