Главная страница
Навигация по странице:

Эксперимент лаба 2.4. Эксперимент лаба 2. Экспериментальная часть описание экспериментальной установки
Скачать 0.92 Mb.
Название Экспериментальная часть описание экспериментальной установки
Анкор Эксперимент лаба 2.4.doc
Дата 20.02.2018
Размер 0.92 Mb.
Формат файла doc
Имя файла Эксперимент лаба 2.4.doc
Тип Документы
#16886

,



откуда

.
(18)



ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ




1. Описание экспериментальной установки


  1. В данной экспериментальной установке используются 2 специальных миниблока и 2 блока стенда: «Блок генераторов» и «Наборное поле».

  2. Электрическая схема установки изображена на рис. 16, а монтажная схема – на рис. 17.



Рис. 16. Электрическая схема:

1 – регулируемый источник постоянного напряжения «»;

2 – электронагреватель;

3 – термопара;

4, 5 – исследуемые образцы металла и полупроводника ;

6 – миниблок «Исследование температурной зависимости сопротивления металла и полупроводника »;

7 – переключатель;

8 – миниблок «Ключ»;

9 – цифровой мультиметр в режиме измерения сопротивления (режим  2 кОм, входы COM, Hz); 10 – цифровой мультиметр в режиме измерения температуры (режим °С, входы «ТЕМР»).


Рис. 17. Монтажная схема установки: 6, 8, 9, 10 – см. рис. 16


  1. В установке используются 2 миниблока: миниблок 6 (рис. 16 и 17) и миниблок 8 (рис.16 и 17).

Миниблок 6 является основным. В нем находятся:

  1. исследуемый металлический проводник 4 (рис. 16) в виде тонкой медной проволоки с сопротивлением , навитый на цилиндрический каркас (рис. 17);

  2. исследуемый полупроводник 5 (рис. 16) в виде шайбы (рис. 17) с сопротивлением ;

  3. электронагреватель 2 (рис. 16 и 17), нагревающий металлический проводник и полупроводник;

  4. термопара 3 (рис. 16 и 17), измеряющая температуру проводника и полупроводника.

  1. Для сборки установки контактные штыри миниблока 6 вставляют в соответствующие гнезда «Наборное поле», как показано на рис. 17. Эти гнезда расположены посередине верхней части «Наборное поле» и очерчены замкнутой пунктирной линией, внутри которой есть надпись «».

  2. Миниблок 8 «Ключ» (рис. 16 и 17) является вспомогательным, внутри него находится только переключатель 7 (рис. 16 и 17).

  3. Для сборки установки контактные штыри миниблока 8 «Ключ» вставляют в соответствующие гнезда Наборного поля, как показано на рис. 17.

С помощью переключателя 7 (рис. 16 и 17) этого миниблока поочередно подключают металлический проводник и полупроводник к мультиметру 9, работающему в режиме омметра.

Для этой цели миниблоки 6 и 8 соединяют двумя проводами так, как показано на рис. 17.

  1. В качестве омметра 9 (рис. 17) обычно используется левый мультиметр Блока мультиметров. Для его подключения один штырь красного соединительного провода вставляют во вход «» данного мультиметра, а другой штырь этого провода вставляют в гнездо Наборное поле, которое расположено рядом с миниблоком 8 «Ключ», как показано на рис. 17 (нижний провод от омметра 9). Затем штырь синего провода вставляют во вход «СОМ» мультиметра 9, а другой штырь этого провода вставляют в гнездо «Наборное поле», как показано на рис. 17 (верхний провод от омметра 9).

  2. В данной установке в качестве термометра, измеряющего температуру металлического проводника и полупроводника, используются термопара 3 в миниблоке 6 (рис. 16 и 17) и обычно правый мультиметр 10 «Блок мультиметров». Для соединения выхода термопары 3 в миниблоке 6 (рис. 17) и мультиметра 10 (рис. 17) используется кабель. К миниблоку 6 кабель подключается с помощью небольшого специального штепсельного разъема, а к мультиметру 10, работающему в режиме измерения температуры, с помощью специальной желтой вилки, у которой плоские штырьки имеют разную ширину. Соответствующую форму и ширину имеют и гнезда специальной прямоугольной зеленой розетки на передней панели мультиметра 10 с надписью «ТЕМР», в которые вставляются штырьки вилки. Специальная форма вилки сделана для соблюдения полярности подсоединения термопары к мультиметру.

  3. Питание электронагревателя 2 (рис. 16 и 17) осуществляется от выходных гнезд Регулируемого источника постоянного напряжения (РИПН) на плате Блока генераторов: верхний провод в правой части рис. 17 с помощью штыря соединяется с красным гнездом «» выхода РИПН (на рисунке не изображен), а нижний провод с помощью штыря соединяется с черным гнездом выхода РИПН (на рисунке также не изображен).

Регулирование напряжения на выходе РИПН осуществляется с помощью голубых кнопок установки постоянного напряжения и нарисованных рядом с ними стрелок «вверх» и «вниз». Индикатор постоянного напряжения на выходе РИПН выполнен в виде вытянутого по вертикали прямоугольного окошечка, в котором загорается определенное число горизонтально расположенных полосок – индикаторов: чем больше их загорается, тем больше напряжение на выходе РИПН.

В случае перегрузки РИПН «» на таблице «ПЕРЕГРУЗКА» «Блок генераторов» загорается сигнальная лампочка «».
2. Подготовка к работе на экспериментальной установке


  1. Собрать схему экспериментальной установки, как показано на рис. 17 и описано в предыдущем разделе 1.

  2. Поворотным переключателем мультиметра 9 (рис. 16) выбрать диапазон измерения сопротивлений «» и поставить указатель переключателя на предел 2k.

  3. Указатель поворотного переключателя мультиметра 10 (рис. 16) установить на диапазон измерения температур «».

  4. Подготовить отчет по лабораторной работе. Он должен включать в себя:

а) номер и название работы;

б) цель работы;

в) оборудование, используемое в работе;

г) принципиальную схему экспериментальной установки на рис. 16;

д) табл. 1 и 2, рассчитанные на 12-20 значений измеряемых сопротивлений металлического проводника и полупроводника ;

е) два листа миллиметровки для построения графиков по табл. 1 и 2: зависимостей и на одной координатной сетке и зависимости ;

ж) свободное место для расчета по графикам температурного коэффициента сопротивления металла и ширины запрещенной зоны полупроводника .
Таблица 1. Температурная зависимость сопротивления металлического проводника


Наименование


, Ом





























Таблица 2. Температурная зависимость сопротивления полупроводника


Наименование


, Ом


















































3. Снятие температурных зависимостей сопротивлений металла Rпр и полупроводника Rпп





    1. Пригласить дежурного инженера или преподавателя для проверки правильности сборки схемы экспериментальной установки (рис. 17), для ее включения и для проверки правильности ее работы.

Дежурный инженер или преподаватель сообщают также студентам максимальные значения температуры, до которой должны быть нагреты металлический проводник и полупроводник, шаг измерения температуры (обычно ) и такую скорость нагрева, чтобы успевать делать измерения.

    1. После указанных мероприятий с помощью тумблера миниблока 8 и мультиметра 9, работающего в качестве омметра, попеременно измеряются значения сопротивлений и при комнатной температуре, которая считывается с дисплея мультиметра 10, работающего в качестве термометра.

    2. Для нагревания металлического проводника 4 (рис. 16 и 17) и полупроводника 5 (рис. 16 и 17) на электронагреватель 2, находящийся в миниблоке 6 (рис. 16 и 17), подается напряжение с красного и черного гнезд выхода Регулируемого источника постоянного напряжения (РИПН) путем нажатия верхней голубой кнопки со стрелкой «вверх».

    3. Качественно величина этого напряжения определяется по количеству светящихся полосок индикатора постоянного напряжения на выходе РИПН.

    4. Далее голубыми кнопками РИПН подбирается напряжение, питающее электронагреватель 2 (рис.16 и 17) и позволяющее с удобной скоростью постоянного нагрева измерять зависимости .

    5. При достижении максимальной температуры, указанной дежурным инженером или преподавателем, эксперимент прекращается. Для этого выключаются красные кнопочные выключатели с надписью „СЕТЬ”, расположенные внизу Блока генераторов и внизу Блока мультиметров.


4. Обработка результатов измерений
4.1. Дополнительные вычисления
Производятся вычисления и заполняются оставшиеся два столбца табл. 2: столбец со значениями натурального логарифма сопротивления полупроводника и столбец со значениями величины, обратной абсолютной температуре микропечки .

4.2. Построение графиков
1. По вычисленным значениям, взятым из табл. 1 и 2, на одном листе миллиметровки карандашом строятся графики зависимости сопротивления металлического проводника от температуры (рис. 19, кривая 1) и сопротивления полупроводника от температуры (рис. 19, кривая 2).





Для их лучшего сравнения оба графика строятся на одной координатной сетке (рис. 19).

2. По численным значениям, взятым из табл. 2, на другом листе миллиметровки карандашом строится график зависимости натурального логарифма сопротивления полупроводника от величины, обратной абсолютной температуре (рис. 20).

3. При построении графиков следует разумно выбирать масштабы и начало отсчёта, чтобы измеренные точки располагались на всей площади выбранной координатной сетки (рис. 19). Масштабы должны быть удобными (рис. 19 и 20).

4. Оси графика должны иметь четкие, равномерно расположенные деления. Рядом с делениями должны быть нанесены значения физической величины, соответствующие им. Эти значения можно ставить через одно деление (рис. 19 и 20).

5. На осях графика должны быть указаны физические величины и масштабы, в которых они отложены (рис. 19 и 20).

6
. Экспериментальные точки должны изображаться в виде ясно различимых кружков (квадратиков, треугольников), которые могут быть сплошь закрашены (рис. 19). При построении кривой точки не должны пересекаться сплошной линией графика.

7. При проведении кривой нужно следить за тем, чтобы на каждом достаточно большом её участке экспериментальные точки располагались как выше, так и ниже кривой. Следует помнить, что «на глаз» можно точно провести через экспериментальные точки только прямую линию. Поэтому при построении графика следует стремиться к тому, чтобы ожидаемая зависимость имела вид прямой линии (зависимость 1 на рис. 19 и зависимость на рис. 20).

4.3. Нахождение температурного коэффициента сопротивления

металла
Температурный коэффициент сопротивления металла находится с помощью формулы (6) и графика в виде прямой 1 на рис. 19. Так как значение сопротивления данного металлического проводника при температуре неизвестно, в настоящей работе вычисляется по двум сопротивлениям проводника и , взятым из графика 1 на рис. 19:
(19)

где и - значения сопротивления проводника в омах и его температуры в градусах Цельсия, соответствующие начальной точке прямой 1 на рис. 19.
(20)

где и - значения сопротивления проводника в омах и его температуры в градусах Цельсия, соответствующие конечной точке прямой 1 на рис. 19.

Совместное решение (19) и (20) приводит к формуле для нахождения температурного коэффициента сопротивления металла :

.
(21)

Температурный коэффициент в СИ измеряется в .

4.4. Определение ширины запрещенной зоны собственного полупроводника
Ширина запрещенной зоны полупроводника определяется с помощью формулы (18) и графика в виде прямой на рис. 20.

С помощью указанного графика находится (рис. 15,б), входящий в формулу (18). Для этого на прямой (рис. 20) берутся значения и , соответствующие начальной (нижней) точке наклонной прямой, и значения и , соответствующие конечной (верхней) точке прямой. Эти значения подставляются в формулу
(22)

c помощью которой находится искомое значение .

После подстановки , вычисленного по формуле (22), в формулу (18) определяется ширина запрещенной зоны:

,

где – постоянная Больцмана.

Ширина запрещенной зоны , полученная в джоулях, должна быть выражена и в электронвольтах .


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


1. Запишите закон Ома в дифференциальной форме.

2. Как связана удельная электропроводность проводника с зарядом , подвижностью и счетной концентрацией носителей тока (электронов) в проводнике?

3. Что называется подвижностью носителя тока (электрона)?

4. Как связано удельное сопротивление проводника с его удельной электропроводностью ?

5. Как связано электрическое сопротивление проводника с удельным сопротивлением материала проводника?

6. Как выглядит энергетическая диаграмма атома, имеющего пять электронов и шесть разрешенных энергетических уровней для них?

7. Как образуются энергетические зоны в кристалле из энергетических уровней атомов при их сближении в воображаемом процессе формирования кристалла?

8. Как выглядят на диаграмме энергетические зоны кристалла, образовавшиеся из свободного и занятого уровней валентных электронов отдельного атома?

9. Как выглядит энергетическая диаграмма металла при ?

10. Как на энергетической диаграмме металла отображается приобретение электронами проводимости скорости упорядоченного движения против электрического поля, т.е. возникновение электрического тока?

11. Как выглядят энергетические диаграммы полупроводника:

а) при ;

б) при ?

12. С помощью графика функции Ферми-Дирака и энергетической диаграммы изобразите распределение электронов по уровням зоны проводимости в металле при .

13. С помощью графика функции Ферми-Дирака и энергетической диаграммы изобразите распределение электронов по уровням зоны проводимости в металле при (при температурах, используемых в технике).

14. Зависит ли концентрация электронов проводимости в металле от температуры?

15. Как качественно зависит подвижность электронов проводимости в металле от температуры ?

16. Как качественно зависит удельное сопротивление металла и сопротивление металлического проводника от температуры ?

17. Подтверждает ли эксперимент линейную зависимость сопротивления металлического проводника от температуры Т ?

18. Что собой представляет второй тип носителей тока в собственном полупроводнике, называемый дыркой?

19. Покажите на энергетической диаграмме собственного полупроводника схему перемещения дырок в валентной зоне.

20. Какими носителями тока обусловлена собственная электропроводность полупроводника?

21. С помощью графика функции Ферми-Дирака и энергетической диаграммы изобразите распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости в собственном полупроводнике при .

22. Запишите формулу, по которой меняется концентрация электронов, находящихся в зоне проводимости, в зависимости от температуры?

23. Равна ли концентрация электронов в зоне проводимости концентрации дырок в валентной зоне?

24. Как связана удельная электропроводность с зарядом , подвижностями , концентрациями и носителей тока (электронов и дырок) в собственном полупроводнике?

25. Как зависит удельная электропроводность собственного полупроводника от температуры Т?

26. Как зависит удельное сопротивление полупроводника от температуры Т?

27. Как зависит электрическое сопротивление полупроводника от температуры Т?

28. Как зависит натуральный логарифм сопротивления полупроводника от величины, обратной температуре?

29. Подтверждает ли эксперимент теоретически полученную зависимость сопротивления полупроводника от температуры ?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Савельев, И.В. Курс общей физики В 3 т. Т. 3 / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1987

  2. Иродов, И.Е. Физика макросистем. Основные законы. – М.– СПб: Физматлит, 2001.

  3. Волков, В.Н. Физика В 3 т. Т. 2 / В.Н. Волков, Г.И. Рыбакова, М.Н. Шипко; Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 1993.

  4. Крылов, И.А. Физические основы электромагнитных процессов в технических средствах автоматизации: учеб. пособие /И.А. Крылов; Иван. гос. энерг. ун.-т. – Иваново, 2004.

  5. Блейкмор, Дж. Физика твердого тела / Дж. Блейкмор. – М.: Мир, 1988.

  6. Гольдин, Л.Л.. Введение в квантовую физику / Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова. – М.: Наука, 1988.


Изучение температурной зависимости сопротивления металла и полупроводника

Методические указания к стендовой лабораторной работе 2.4с

по электромагнетизму
Составитель Крылов Игорь Александрович

Редактор Н.Б. Михалева
Компьютерная верстка Н.В. Абрамовой

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Печать плоская. Усл.печ.л. Тираж 100 экз. Заказ
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет»

153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34

Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ
написать администратору сайта