2. Властивості провідників

До найважливіших параметрів, які характеризують властивості провідникових матеріалів, відносяться:

1. питома провідність (або зворотна нею величина — питомий опір ); 2. температурний коефіцієнт питомого опору ;

3. коефіцієнт теплопровідності _т ;

21

4. контактна різниця потенціалів і термоелектрорухаюча сила (термо-ЕРС);

5. межа міцності при розтягуванні і відносне подовження перед розривом провідника.

Питома провідність і питомий опір провідників. Зв'язок щільності струму J (у амперах на квадратний метр) і напруженості електричного поля (у вольтах на метр) в провіднику описується відомою формулою:

J E,

(диференціальна форма закону Ома); тут (у сименсах на метр) параметр провідникового матеріалу, званий його питомою провідністю: відповідно до закону Ома у металевих провідників не залежить від напруженості

електричного поля Е при зміні останньою у вельми широких межах. Величина 1/, зворотна питомій провідності і називається

питомим опором. Цю величину можна виразити через опір R провідника довжиною l з постійним поперечним перетином S обчислюється за формулою

R^S.

Питомий опір вимірюється в ом-метрах. Діапазон значень питомого опору (металевих провідників, при нормальній температурі досить вузький: від 0,016 для срібла і до приблизно 10 мкОмм для желізохромоалюмінюєвих сплавів, тобто різниця в три порядки. Питома провідність металевих провідників згідно класичної теорії металів може бути виражена наступним чином:

e² n2m_e _T

де

е – заряд електрона;

n – число вільних електронів в одиниці об'єму металу;

 – середня довжина вільного пробігу електрона між двома зіткненнями з вузлами грат;

m _e – маса електрона;

_T – середня швидкість теплового руху вільного електрона в металі.

22

l



,

Опис віртуальної лабораторної установки

Експерементальний зразок провідника виконаний у вигляді розподіленої на поверхні керамічного стержня обмотки, виконаної з провідника довжиною L. Провідник ізольований скловолокнистою ізоляцією. При вимірюванні залежності опору від температури зразки розміщені в термостаті, потужність нагрівального елементу якого регулюється зміною напруги.

Рис. 3.1 – Віртуальний лабораторний стенд для виміру опорів металів і сплавів.

За допомогою відповідних вимірювачів визначається падіння напруги Ux на зразку Rx і падіння напруги Uo на еталонному резисторі Ra. Величина вимірюваного опору розраховується по формулі

R_X R₀ ^UX . 0

23

U

Типові завдання для виконання роботи

Експеримент №1. Дослідження залежності опору провідника від його температури.

1. Отримати від викладача завдання і ознайомитися з ним. − початкова температура: 20C;

− кінцева температура: 200C; −крок по температурі: 10C;

− довжина провідника: L 80см;

−діаметр провідника: S0,25мм −еталонний опір: R₀ 1−30Ом.

2. Зібрати схему вимірювання опору провідника, перетягуючи відповідні клеми на віртуальному стенді (рис. 3.1).

3. Підтвердіть введення схеми натискуючи кнопку «Завершити введення схеми». Якщо Ви помилилися і хочете повторити введення, то натискуйте кнопку «Відмінити введення». Пам'ятаєте, що до тих пір, поки Ви правильно не зберете схему кнопка включення стенду буде заблокована, і Ви не зможете приступити до експерименту.

4. Зібравши схему необхідно включити стенд, джерело напруги та цифровий вольтметр.

5. Дослідіть залежність опору провідника від його температури, змінюючи температуру відповідно до кроку, вказаному в завданні та по результатам дослідження заповніть таб. 3.1.

Таблиця 3.1 T ,C

R_X,Ом

6. Побудуйте залежність R_Xtвідповідно до знайдених значень опорів R _X та зробіть відповідні висновки.

Експеримент №2. Дослідження залежності питомого опору провідника від його температури.

1. Для розрахунку питомих опорів провідника скористайтеся наступним співвідношенням:

R ^S [Омм].

2. Відповідно до розрахованих питомих опорів заповніть табл. 3.2 та побудуйте залежність Т відповідно до значень питомих опорів .

24

L



Таблиця 3.2 T ,C

,Омм

3. Проаналізуйте отриманий графік та зробіть відповідні висновки.

Експеримент №3 Визначення температурного коефіцієнта електричного опору.

Питомий електричний опір провідників залежить від температури. В області температур, де, як правило, використовуються провідникові матеріали, така залежність апроксимується наступним співвідношенням:

₀ 1T −T ,

де ₀ та відносять до початку температурного діапазонуT ,

– температурний коефіцієнт електричного опору показує відносну зміну питомого опору при зміні температури на 1 градус.

1_d_^^dT

1. Розрахуйте температурний коефіцієнт електричного опору провідника за наступним співвідношенням:

^{1(T )−(T )}.

 _{ i1 i }

2. Зробіть висновки по виконаній роботі та підготуйте звіт відповідно до встановлених вимог.

Звіт по лабораторній роботі повинен містити:

 тему та мету лабораторної роботи; завдання до лабораторної роботи;

 схематичне зображення віртуального вимірювального стенду;

 всі розрахункові формули, які використовувались для обробки результатів експериментів;

 таблиці з результатами експериментів;

25







0

0











i1

i

 

 

 −

T T

 графіки залежності експериментальних залежностей; висновки по отриманим результатам.

Контрольні питання

1. Які види провідникових матеріалів Ви знаєте, яка фізична природа їх електропровідності?

2. Чому домішки і інші структурні дефекти впливають на процес електропровідності металів?

3. Які електричні властивості характерні для металевих сплавів?

4. Що являються собою провідники: мідь, алюміній, залізо, нікель, латунь; тугоплавкі метали: вольфрам, молібден, тантал; сплави високого опору: манганін, константан, ніхром

26

Лабораторна робота №4 ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ

НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Мета роботи: дослідження температурної залежності електропровідності напівпровідникових матеріалів, знаходження таких параметрів матеріалу, як ширина забороненої зони і енергія активації домішків.

Завдання роботи: Ознайомитися з:

 фізичними основами і характерними особливостями явища електропровідності напівпровідників;

 впливом умов навколишнього середовища на електропровідність напівпровідників, на прикладі залежності lnSf 1/T ;

 методом вимірювання питомої провідності напівпровідників.

Виконати:

 за допомогою віртуального стенду побудувати електричну схему для дослідження залежності електропровідності напівпровідників від температури;

 розрахунок електропровідності напівпровідника відповідно до результатів експериментальних вимірювань;

 дослідження ширини забороненої зони напівпровідника та визнання типу досліджуваного матеріалу;

 дослідження рівня енергії активації домішок та визначення їх типу; аналіз отриманих результатів та оформити звіт по виконаній роботі.

Теоретичні відомості