Контрольные вопросы

1. Опишите принцип действия электронно-лучевой трубки.

2. Как зависит чувствительность трубки осциллографа от ускоряющего напряжения и расстояния между пластинами?

3. Каково назначение и принцип действия генератора развертки?

4. Как определить с помощью осциллографа:

а) период исследуемого сигнала;

б) напряжение исследуемого сигнала?

Литература

1. И.В.Савельев. Курс общей физики. Т. 2. М: Наука, 1988. – 431 с.

2. И.В.Савельев. Курс общей физики: В 5 кн.: Кн 2:Электричество и магнетизм: Учебное пособие для вузов. Изд. АСТ, Астрель, 2008. - 336 с.

3. Лабораторные занятия по физике. /Под ред. Гольдина Л.Л.- М.: Наука, 1983.- 704 с.

4. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.III: Учеб. пособие.- М: Физматлит, 2004.- 656 с.

5. А.Н. Матвеев.- Электричество и магнетизм: учеб. пособие для студентов вузов.- М: ОНИКС 21 век: Мир и образование, 2005. – 464 с.

5. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высшая школа, 1983.- 279 с.

6. Портис А. Физическая лаборатория. – М.: Наука, 1972. - 400 с.

Лабораторная работа № 4 Исследование температурной зависимости сопротивления металла и полупроводника

Цель работы.

1. Исследовать зависимость сопротивления проводника в узком температурном интервале. Дать приближенную оценку некоторым физическим параметрам, определяемым из электронной теории металлов.

2. Исследовать зависимость сопротивления полупроводникового терморезистора от температуры. Оценить ширину запрещенной зоны и температурный коэффициент сопротивления.

Оборудование. Вольтметр универсальный В7-16А, термометр, исследуемые образцы сопротивлений, муфельная печь.

Краткая теория

Электрическое сопротивление – величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Электрическое сопротивление при постоянном токе называется омическим сопротивлением. Оно зависит от материала образца, его размеров и формы. Если проводник длиной и сечением однороден, то его сопротивление равно

, (1)

где ρ – удельное сопротивление металла. По величине удельного сопротивления все вещества делятся на:

• металлы –

• полупроводники – от

• изоляторы –

Наличие электрического сопротивления в металлах можно объяснить на модели «электронного газа». Металл состоит из кристаллической решетки, в узлах которой находятся положительные ионы (рис. 1а). Компенсация положительного заряда происходит за счет свободных электронов, которые хаотически движутся между узлами решетки, образуя «электронный газ».

При внешнем электрическом поле (рис. 1б) возникает направленное движение свободных электронов (электрический ток). Электроны ускоряются полем и приобретают дополнительную энергию. Часть электронов сталкивается с ионами решетки и передает им энергию. Этот процесс приводит к увеличению амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки – происходит нагревание металла (выделение джоулева тепла). При отключении внешнего поля направленное движение электронов из-за соударений превращается в хаотическое тепловое движение. Такое движение электрона характеризуется средней скоростью беспорядочного теплового движения <u>.

Таким образом, причина электрического сопротивления заключается в соударениях электронов с положительными ионами решетки металлов. Эти соударения приводят к рассеянию электронов из направленного потока.

С повышением температуры электрическое сопротивление возрастает, что связано с увеличением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки. Рассеяние электронов при этом из направленного потока происходит сильнее. Зависимость сопротивления металла от температуры (для небольшого интервала температур) можно выразить линейным законом:

(2)

где R₀ – сопротивление при 0⁰С, α – температурный коэффициент сопротивления металла, который представляет индивидуальную константу (характеристику), определяемую экспериментально.

У чистых металлов для большого интервала температур линейность зависимости R(t) не выполняется. Поэтому применение формулы (2) ограничено только той областью температур, где наблюдается линейность этой зависимости.

Из экспериментальной зависимости R(t_i) можно получить температурную зависимость удельного сопротивления ρ(t_i) по формуле:

, (3)

где S и L – площадь поперечного сечения и длина проволоки соответственно. В частности, в случае медной проволоки можно определить удельную электропроводность меди :

γ(t_i) = 1/ρ(t_i). (4)

C точки зрения классической электронной теории Друде-Лоренца, высокая электропроводность металлов объясняется наличием огромного числа носителей тока - электронов проводимости («электронный газ»), которые перемещаются по всему объему проводника. Друде предположил, что такие электроны в металле можно рассматривать как одноатомный идеальный газ. Поэтому по молекулярно-кинетической теории средняя скорость теплового движения электронов , которая для Т = 300 К равна 1,08·10⁵ м/с. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник, кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Средняя скорость <V> упорядоченного движения можно оценить по формуле для плотности тока: j = ne<V>. Выбрав допустимую плотность тока, например для медных проводов 10⁷ А/м², получим при концентрации носителей тока n = 8·10²⁸ м^-3: <V> = 7,8·10^-4 м/c. Следовательно, <V> << <u>, т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающая электрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения.

При своем хаотическом (тепловом) движении электроны сталкиваются с узлами кристаллической решетки металла и поэтому можно говорить о средней длине свободного пробега электронов <l>.