 |
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
|
|
|
|
Лабораторная работа № 56
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОРЕЗИСТОРА
Цель работы:
1. Исследовать зависимость сопротивления термистора от температуры в интервале от 20 оС до 90 оС.
2. Определить основные характеристики термистора марки ММТ-1.
Теоретическое введение
Терморезистор (термистор) - один из самых простых полупроводниковых приборов. Это объемный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры.
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры обусловлена тем, что с ростом температуры концентрация свободных носителей заряда - электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается:
n = n 0 ×exp(-ΔE/2kT), (1)
где n0 - концентрация свободных носителей заряда в состоянии термоди-
намического равновесия при очень высоких температурах, м-3,
T - абсолютная температура полупроводника, К,
k - постоянная Больцмана; k = 1.38 ×10-23 Дж/К,
ΔE - ширина запрещенной зоны полупроводника (энергия активации).
Графически эта зависимость представлена на рис. 1.
Рис.1.График зависимости концен- трации свободных носителей заря- да n от температуры T.
Так как удельная проводимость σ прямопропорциональна концентрации свободных носителей заряда n, то зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры имеет аналогичный вид:
σ = σ 0×exp(- ΔE/2kT). (2)
Таким образом, проводимость полупроводника с ростом температуры увеличивается, а сопротивление соответственно падает.
Простота устройства термисторов в сочетании с нелинейной, резко выраженной зависимостью величины сопротивления от температуры привела к их широкому использованию. На основе термисторов разработаны простые и надежные схемы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температур, противопожарной сигнализации и теплового контроля машин, механизмов и других объектов, созданы схемы температурной компенсации характеристик ряда элементов электрических цепей, измерения мощности на сверхвысоких частотах, измерения вакуума, скоростей движения жидкостей и газов, теплопроводности газов и т.п. Широко используются полупроводниковые болометры, состоящие из двух термочувствительных резистивных элементов, выполненных в виде тонких полупроводниковых плёнок. Такие болометры применяются в инфракрасной технике для обнаружения слабо нагретых тел, в инфракрасной спектроскопии и т.д. Таким образом, термисторы - чрезвычайно важный элемент электрической цепи в современной технике.
|
|
|
Наиболее распространенным материалом термисторов являются оксидные валентные полупроводники, в которых по крайней мере один сорт катионов принадлежит к группе переходных металлов, имеющих незаполненные 3d-оболочки и сравнительно легко меняющих в соединениях свою валентность. Температурная зависимость сопротивления термисторов, изготовленных из таких материалов, с достаточной для практики точностью в рабочем диапазоне температур аппроксимируется выражением
Rт = A ×exp(B/T), (3)
где Rт - сопротивление терморезистора при температуре T, Ом,
А - постоянная, зависящая от физических свойств материала и геометри-
ческих размеров терморезистора, Ом,
B - постоянная, характеризующая свойства материала термистора (про-
порциональна энергии активации), К.
Постоянная В может иметь одно или два значения в интервале рабочих температур.
К основным параметрам термисторов относятся следующие:
1. Величина сопротивления термистора при определенной температуре окружающей среды. Для термисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125 ÷ 200 оC, обычно указывается величина так называемого «холодного» сопротивления Rн, соответствующего температуре 20 - 25 оC.
|
|
|
2. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α = 1/R×dR/dt.
Величина ТКС измеряется в % на 1оC. Обычно она указывается для той же температуры, что и «холодное» сопротивление, и в этом случае обозначается через α н.
Часто приводится также величина постоянной B (в Кельвинах), т.к. она определяет температурную чувствительность термистора в рабочем диапазоне температур.
В данной работе определяются Rн, αн и B для термистора марки ММТ-1, выполненного на основе медно-марганцевого оксидного полупроводника, с диапазоном рабочих температур от -60 до +125 оC.
Описание установки
Установка для определения основных параметров термисторов (рис.2) состоит из сосуда 1 с дистиллированной водой, в которой находится исследуемой образец 2. Сосуд нагревается электропечью 3 или охлаждается вентилятором 4. Сопротивление термистора измеряется с помощью моста Уитстона 5. Измерение температуры воды в сосуде производится ртутным термометром 6. Включение установки производится выключателем S1, о чём сигнализирует лампа EL1. Переключение нагрев-охлаждение осуществляется переключателем S2, лампа EL2 сигнализирует,
 |
что электропечь 3 включена.
Рис. 2. Схема установки для снятия характеристик термистора
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
1. Измерить с помощью моста Уитстона величины сопротивлений нескольких резисторов с известными номиналами. Сравнить полученные результаты с номиналами.
2. Измерить «холодное» сопротивление данного термистора Rн при температуре окружающей среды tн (как вынутого из сосуда с водой и высушенного с помощью вентилятора, так и погруженного в воду). Убедиться, что эти значения совпадают, то есть погрешность, вносимая сопротивлением воды, невелика.
3. Снять экспериментально зависимость сопротивления термистора от температуры в интервале от 25 оC до 90 оC, сначала повышая, а затем понижая температуру воды в сосуде 1.
4. Построить график зависимости ln(R) = f(1/T). Убедиться, что экспериментальные точки ложатся на прямую линию.
|
|
|
5. Определить постоянную B по формуле:
B = ((Тн×Т)/ΔТ)×ln(Rн/R) (4)
где Тн - начальная температура термистора, K,
ΔТ - превышение температуры термистора над начальной, K,
R - сопротивление термистора при температуре Т.
6. Оценить погрешность определения постоянной B.
7. Определить ТКС термистора αн , соответствующий начальной темпера-
туре Тн:
αн = - B/Tн2, (5)
8. Оценить погрешность найденного значения ТКС αн .
Контрольные вопросы
1. Понятие о зонной теории твердого тела.
2. Металлы, диэлектрики и полупроводники в зонной теории.
3. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
4. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры.
5. Терморезисторы, их основные параметры и область применения.
Список рекомендуемой литературы
1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2003. - §§ 240 – 243.
2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.-.: 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. - §§ 43.1 - 43.5.
3. Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука., 1987. -§§ 42, 43.
4. Грабовский Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных вузов): Учеб. пособие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1980. - Часть II, §§16, 19.
|
|
|
